Колебания случайного характера шума обычно добавляют нежелательный беспорядок к сигналу. Но иногда шум может фактически накачать маленькие сигналы и сделать их обнаружимыми.
Теперь физики, сообщающие в текущем номере Physical Review Letters, построили электронную модель, демонстрирующую, как шум мог бы играть ключевую роль в коммуникации среди нейронов в мозгу, помогая выдвинуть сигналы от клетки до клетки.Когда фоновый шум и слабый сигнал имеют подобные компоненты частоты, эти два добавляют конструктивно и могут провернуть силу сигнала.
Ученые сначала заметили эти «стохастические резонансы» 20 лет назад как пики в ежегодных температурах мирового климата, произведенных «шумом» разновидностей в солнечной радиации. С тех пор сигналы, поддержанные шумом, были определены в биопрепарате, электрических, и химических системах.
Для изучения роли шума в системах – как мозг – которые состоят из многих связанных компонентов Маркус Локэр, Дэвид Сигна, и Эрл Хант, физики в Университете Огайо в Афинах, обеспечили электричеством электронную схему с помощью 32 диодов. Диоды действуют немного как дамбы: сигнал может пройти через тот, только если это выше определенного порога.
В более ранней работе бригада показала, что добавление шума к схеме в целом могло усилить сигналы во всех элементах сразу. Но они задались вопросом при добавлении, что шум к каждому диоду мог также создать своего рода цепную реакцию и помочь отдельному сигналу спрыгнуть с одного элемента в схеме другому.
Для обнаружения бригада подстроила диоды так, чтобы они действовали как высокие дамбы, полностью блокируя проход сигнала. Тогда они добавили немного шума к сигналу, прежде чем это прошло через каждый диод. Бригада обнаружила, что уровень шума, которым управляют, дал достаточно сигнальную энергию выдвинуть себя напротив одного диода к следующему, несмотря на барьеры.
Слишком мало шума, говорит, что Локэр, и сигнал не делает его. Слишком много шума искажает и портит сигнал.
Путем сигнал размножается через эту электронную схему, и через клетки головного мозга очень похоже, говорит Питер Юнг, физик в Университете Огайо. «Это показывает, что механизм поддержанной шумом передачи является очень общим, который очень интересен». Болезни мозга как эпилепсия, он говорит, могут быть связаны со своего рода неустойчивостью в помогшей с шумом связи между клетками головного мозга.