Информация

Могат ли мрежата от сензорни неврони и мрежата на моторните неврони да се считат за отделни мрежи?

Могат ли мрежата от сензорни неврони и мрежата на моторните неврони да се считат за отделни мрежи?



We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Чета за нервната система, използвайки уикипедия и се опитвам да интерпретирам една инфографика на тази страница:

Винаги съм мислил за човешката нервна система като уникална мрежа от неврони. Тази диаграма обаче прави разлика между „моторни неврони“ и „сензорни неврони“.

Могат ли мрежата от сензорни неврони и мрежата на моторните неврони да се считат за отделни мрежи?

Косвено те определено ще бъдат свързани помежду си (поради връзките импулс-реакция), но физически са свързани или разединени?

Или има още?

Много е възможно да ми липсват известни познания, за да осмисля този въпрос.


Сензорните и двигателните пътища наистина могат да се разглеждат отделно както като концепция, така и физически. Разбира се на нервната система е една мрежа от неврони, но това не му пречи да има отделни компоненти.

Човек наистина често може да опрости невронните пътища като "IN (сензорен) ===> (черна кутия с магия за вземане на решения) ===> OUT (мотор)"

Рефлекси

Рефлексните дъги са чудесен начин за демонстриране на това разделяне, тъй като те не включват по-сложната интеграция на мозъка. Нека вземем за пример рефлекса на сгъване на коляно (пателар): https://en.wikipedia.org/wiki/Patellar_reflex

Диаграмата е правилна като концепция, но позволете ми да добавя анатомични детайли, за да илюстрирам как сензорните и двигателните пътища са отделни, но свързани: Когато рефлексът се задейства, сигналът се движи нагоре от краищата на сензорния неврон, разположени под капачката на коляното (това са дендрити ) към тялото на сензорния неврон в гръбначния мозък. Сетивната клетка предава сигнала чрез своя аксон, който след това синапсира с тялото на моторния неврон също в гръбначния мозък. След това моторният неврон изпраща моторен импулс чрез своя аксон обратно към крака, където предизвиква мускулна контракция.

Физически, в този случай ще има разделяне и в нервите (поне ако мога да се доверя на Wikipedia засега), където дендритите на сензорните рефлексни неврони пътуват от крака към гръбначния мозък през аферентния нерв и аксоните на моторните неврони пътуват в обратна посока през еферентния нерв. Единствената физическа и концептуална връзка между сензорния път и моторния път е синапсът между сетивните и моторните неврони в гръбначния мозък.

По-сложните сензомоторни пътища могат да включват интерневрони или интеграция с различни вериги в мозъка, но обикновено е възможно да се дефинират дискретни отделни части от пътя, една сензорна и една моторна, като единствената връзка са тези интерневрони.

Сетивно и моторно разделяне в ЦНС

Централната нервна система (ЦНС, която включва мозъка и гръбначния мозък) всъщност е изненадващо организирана в това отношение, с доста строго разделяне на компонентите на моторния и сензорния път. Например, кората на мозъка има отделни региони, които съдържат сензорни неврони за оценка на различни видове периферни кожни усещания. Отделно от тях са региони, които съдържат моторни неврони за движение на скелетния (произволен контрол) мускул. Разбира се, взаимодействието между тях е по-сложно, като се има предвид, че включва усещане на кожата и съзнателно вземане на решения по отношение на движението.

По същия начин гръбначният мозък е структуриран в сензорни и двигателни области. В обобщение, гръбначният мозък се състои от: 1) клетъчни тела (моторни, сензорни, между; сиво на снимката), 2) възходящи аксони (сини), 3) низходящи аксони (червени). Подобно на нервите, аксоните, вървящи нагоре или надолу по гръбначния мозък, са свързани в "тракти". Сензорните аксони никога не се свързват с моторни аксони, което прави възможно създаването на карта на гръбначния мозък в напречно сечение.

Имената на трактатите може да са малко объркващи в началото, но при втори поглед всъщност са доста обясними. Те обикновено съдържат откъде идват аксоните и къде отиват, за да синапсират с други неврони. напр. спиноцеребеларният тракт се образува от аксони, идващи от гръбначния стълб и отиващи към малкия мозък. Като се има предвид, че малкият мозък е близо до мозъка, а гръбначният стълб е по-надолу, това очевидно е възходящ тракт - и възходящите пътища винаги са сензорни (защото сензорната информация никога не трябва да се пренася надолу, тъй като мозъкът е отгоре).

Където става замъглено

Сетивното/моторното разделяне не винаги е толкова ясно, както описах по-горе. Всъщност нервите (снопове от аксони навсякъде в тялото извън ЦНС) обикновено съдържат както сензорни, така и двигателни тръбопроводи. По-специално, черепните нерви (12 от най-важните нерви) включват сензорни и двигателни компоненти за съответната част от тялото, която управляват. напр. лицевият нерв съдържа както сетивните връзки за части на езика, така и двигателните връзки, които контролират лицевите мускули.

Друг по-сложен пример е усещането за болка, при което интерневроните в гръбначния мозък могат да се връщат към сензорните неврони и да инхибират техните сигнали, или аксоните могат да инхибират тези, опаковани в същия нервен сноп, просто поради електрически ефекти.


Невронни мрежи и изчислителният мозък

С помощта на хидравлични и часовникови модели са произведени много автомати, емулирайки по някакъв начин дейностите на животните или хората. Много от механичните устройства от 17-ти и 18-ти век отразяват аспекти на движението и поведението на хората и животните. Механистичният възглед за света се развива значително и натурфилософите смятат, че цялото човешко поведение може да се обясни с механични модели. През 1680 г. италианецът и ученик на Галилей, Джовани Борели, публикува De Motu Animalium (За движението на животните) изследване на механичното действие на мускулите. Във Франция през 1748 г. е публикувана L'Homme Machine (Човек машина) на де ла Метри, в която той твърди, че цялото човешко поведение, включително ума, има механично обяснение. Тази работа е изгорена като атеистична и все още се счита от историците на науката като ненужно крайна. [например вижте C. Singer A Short History of Biology, 1931, стр. 357] Трябва да се отбележи, че в някои академични среди имаше и голяма опозиция срещу този механистичен възглед, който беше изразен в рамките на „витализма“.

През същия период Vaucanson произвежда редица доста успешни играчки, които подражават на някаква дейност на животно или птица. Сър Дейвид Брустър в книгата си „Писма върху естествената магия“ дава описание на патицата на Вокансън:

Възможността за автомата примамва инженерите в западния свят в продължение на много векове, предоставяйки много експонати на панаири и експозиции и като характеристика на приказки и романи от Голем до Франкенщайн. Работниците-роботи от R.U.R на Карел Чапек и Maria in Metropolis на Фриц Ланг предоставят запомнящи се примери от 20-ти век.

ФУНКЦИИ НА МНС

Разбиране на действието

Разбирането на действията е основната функция на MNS. Всеки път, когато животното наблюдава определено действие, извършвано от друго животно, се активират огледалните неврони, представящи изпълнението на това действие. Огледалните неврони трансформират визуалното наблюдение в знание.[3] Проучвания върху хора по време на наблюдение на действие показват активиране на IFG, IPL и регион в рамките на STS. Прецентралната моторна кора, макар и да не се активира чрез наблюдение на действието, участва индиректно в разбирането на действието, тъй като те имат роля в двигателните образи.[7]

Основните хипотези за обяснение на феномена на разбирането на действие са визуалната хипотеза, хипотезата за директно съвпадение и моделът ‘генериране и тестване’. Визуалната хипотеза се основава на визуалния анализ на ефектора, обекта и на контекста, в който протича действието, за да се направят заключения относно значението на действието. Невронните субстрати са визуални екстрастритни зони, инферотемпорален лоб и STS регион. Хипотезата за директно съвпадение се основава на картографирането на наблюдаваното действие върху собственото му/нейно двигателно представяне на наблюдаваното действие. Следователно той включва процес на индуцирано от наблюдение двигателно представяне, последвано от съпоставяне на това с моторното представяне, генерирано по време на активно действие, насочено към резултата, извършвано от индивида (симулация). Ако и двете тези двигателни представяния съответстват, това води до разбиране на действие.[4] По-сложна хипотеза, предложена за разбиране на действие, е моделът ‘генериране и тест’. Според този модел разбирането за действие включва намиране на цел ‘pretend’, която би генерирала план за действие в собствената система за двигателно планиране на наблюдателя. След това това се съпоставя с наблюдаваното действие. Предполага се, че когато симулираното двигателно действие не съвпада с наблюдаваното, се генерира нова хипотеза и се тества за съответствие с наблюдаваното действие. Така че действията се разбират не само по отношение на техните резултати, но и по отношение на психичните състояния и особено целите, които са ги генерирали.[8]

Имитация

Основната имитация на основната верига съвпада с тази, която е активна по време на наблюдение на действието. Имитацията изисква перфектно съчетаване на извършеното действие с наблюдаваното. Огледалните неврони са в състояние да разпознават действията на другите и намеренията, свързани с тях. Така те могат да кодират вероятни бъдещи действия на другите, като по този начин наблюдателите са в състояние да предвидят действията на другите.[1,9].

Човешката имитация включва поток от информация през STS, IPL и IFG. STS осигурява визуална обработка от по-висок порядък на наблюдаваното действие, докато фронтопариеталната MNS кодира целта на действието и двигателния план за това как да се постигне. След това фронтопариеталната система изпраща копия на този двигателен план до STS, което съпоставя предвидената сензорна последица от планираното двигателно действие с визуалното описание на наблюдаваното действие. Еферентните копия към STS произхождат от вентралния сектор на pars opercularis на IFG, чиято активност е специфична за имитация.[9]

Има разлика по време на имитативното изучаване на задачи между новите задачи и задачите, които са част от моторния репертоар на наблюдателя. Фронталната и теменната зона се активират по време на наблюдение на задача, която е част от репертоара. Имитацията на ново действие в допълнение към горните региони включва дорзолатералната префронтална кора (DLPFC) и кортикалните области, свързани с двигателната подготовка, а именно дорзалната премоторна кора (PMd), мезиалната префронтална кора и горната париетална лобула. Така че основната схема за обучение на имитация се състои от IFG, IPL, STS, области за подготовка на двигателя и DLPFC [Фигура 3].[9]


Могат ли мрежата от сензорни неврони и мрежата на моторните неврони да се считат за отделни мрежи? - Биология

Невронаука онлайн е електронен ресурс с отворен достъп за студенти, преподаватели и тези, които се интересуват от невронауки. Проектът стартира през 1999 г. и първата секция, Клетъчна и молекулярна невробиология, беше издаден през 2007 г.

Развитието продължава с нови функции, като функционалност, удобна за мобилни устройства, видеоклипове с лекции от курсове, видеоклипове с клинични корелирани лекции и през 2015 г. стартирахме Невроанатомия онлайн, електронна лаборатория с отворен достъп в допълнение Невронаука онлайн като ресурс за изучаване на невроанатомията.

Невронаука онлайн и Невроанатомия онлайн се нуждаят от вашата подкрепа. Даренията за нашия сайт ще подпомогнат по-нататъшното разработване на ново съдържание, анимации, видеоклипове и изпитни въпроси за самотест. Искаме да продължим да предоставяме този ценен ресурс, без реклама, такси и без ограничения.

Следвайте връзката, за да направите дарение: Neuroscience Online Giving

Основни морфологични характеристики на невроните
100 милиарда неврони в мозъка споделят редица общи черти (Фигура 1). Невроните са различни от повечето други клетки в тялото по това, че са поляризирани и имат различни морфологични области, всяка със специфични функции. Дендрити са областта, където един неврон получава връзки от други неврони. Клетъчното тяло или сома съдържа ядрото и другите органели, необходими за клетъчната функция. В аксон е ключов компонент на нервните клетки, по който информацията се предава от една част на неврона (например тялото на клетката) към крайните области на неврона. Аксоните могат да бъдат доста дълги, простиращи се до около метър в някои човешки сензорни и двигателни нервни клетки. В синапс е крайната област на аксона и тук един неврон образува връзка с друг и предава информация чрез процеса на синаптично предаване. Невронът с аква цвят на фигура 1 (щракнете върху "Неврон, свързан с постсинаптичен неврон") се нарича постсинаптичен неврон. Следователно кафявият терминал вляво се нарича пресинаптичен неврон. Един неврон може да получава контакти от много различни неврони. Фигура 1 (щракнете върху "Neuron Receiving Synaptic Input") показва пример за три пресинаптични неврона, които контактуват с единия постсинаптичен неврон с жълт цвят, но е изчислено, че един неврон може да получи контакти от до 10 000 други клетки. Следователно потенциалната сложност на мрежите е огромна. По същия начин всеки един неврон може да се свърже с до 10 000 постсинаптични клетки. (Обърнете внимание, че кафявият неврон, който е бил пресинаптичен към неврон с воден цвят, е постсинаптичен за розовия, зеления и синия неврон. Така че повечето „пресинаптични“ неврони са „постсинаптични“ за някой друг(и) неврон(и).

Фигура 1 (щракнете върху "The Synapse") също показва разширен изглед на синапса. Имайте предвид, че пресинаптичната клетка не е пряко свързана с постсинаптичната клетка. Двете са разделени от празнина, известна като синаптична цепнатина. Следователно, за да комуникира с постсинаптичната клетка, пресинаптичният неврон трябва да освободи химически пратеник. Този пратеник се намира в везикули, съдържащи невротрансмитери (сините точки представляват невротрансмитера). Потенциал за действие, който нахлува в пресинаптичния край, кара тези везикули да се слеят с вътрешната повърхност на пресинаптичната мембрана и да освободят съдържанието си чрез процес, наречен екзоцитоза. Освободеният трансмитер дифундира през пролуката между пре- и постсинаптичната клетка и много бързо достига до постсинаптичната страна на синапса, където се свързва със специализирани рецептори, които „разпознават“ предавателя. Свързването с рецепторите води до промяна в пропускливостта на йонните канали в мембраната и от своя страна промяна в мембранния потенциал на постсинаптичния неврон, известен като постсинаптичен синаптичен потенциал (PSP). Така че сигнализирането между невроните е свързано с промени в електрическите свойства на невроните. За да разберете невроните и невронните вериги, е необходимо да разберете електрическите свойства на нервните клетки.

Потенциали за покой и потенциали за действие

Потенциали за почивка. Фигура 2 показва пример за идеализирана нервна клетка. В извънклетъчната среда е поставен микроелектрод. Микроелектродът не е нищо повече от малко парче стъклена капилярна тръба, която се разтяга при топлина, за да се получи много фин връх, от порядъка на 1 микрон в диаметър. Микроелектродът се напълва с проводящ разтвор и след това се свързва към подходящо записващо устройство, като осцилоскоп или записващо устройство. С електрода извън клетката в извънклетъчната среда се записва нулев потенциал, тъй като извънклетъчната среда е изопотенциална. Ако обаче електродът проникне в клетката, така че върхът на електрода вече е вътре в клетката, на записващото устройство се вижда рязко отклонение. Потенциал от около -60 миливолта вътре е отрицателен по отношение на външната страна. Този потенциал се нарича потенциал за почивка и е постоянен за неопределени периоди от време при липса на каквато и да е стимулация. Ако електродът се отстрани, потенциалът от нула се записва отново. Потенциите за покой не са само характеристики на нервните клетки, всички клетки в тялото имат потенциал за покой. Какво отличава нервните клетки и др възбудими мембрани (например мускулни клетки) е, че те са в състояние да променят своя потенциал за почивка. В случай на нервни клетки, за интегриране на информация и предаване на информация, докато в случай на мускулни клетки, за производство на мускулни контракции.

Потенциали за действие. Фигура 3 показва друга скица на идеализиран неврон. Този неврон е набит с един електрод за измерване на потенциала на покой и втори електрод, наречен стимулиращ електрод. Стимулиращият електрод е свързан чрез превключвател към батерия. Ако батерията е ориентирана така, че положителният полюс е свързан към превключвателя, затварянето на превключвателя ще направи вътрешността на клетката малко по-положителна в зависимост от размера на батерията. (Такова намаляване на поляризираното състояние на мембраната се нарича а деполяризация.) Фигура 3 е анимация, в която превключвателят многократно се отваря и затваря и всеки път, когато се затваря, към веригата се прилага по-голяма батерия. Първоначално затварянето на превключвателя произвежда само малки деполяризации. Въпреки това, потенциалите стават по-големи и в крайна сметка деполяризацията е достатъчно голяма, за да задейства потенциал за действие, известен още като а шип или ан импулс. Потенциалът на действие е свързан с много бърза деполяризация за постигане на пикова стойност от около +40 mV само за 0,5 милисекунди (msec). Пикът е последван от също толкова бърз фаза на реполяризация.

Напрежението, при което деполяризацията става достатъчна за задействане на потенциал на действие, се нарича праг. Ако се използва по-голяма батерия за генериране на надпрагова деполяризация, все още се генерира единичен потенциал на действие и амплитудата на този потенциал на действие е същата като потенциала на действие, предизвикан от стимул с точно прагове. Простият запис на фигура 3 илюстрира две много важни характеристики на потенциалите за действие. Първо, те се извличат в всичко или нищо мода. Или се предизвиква потенциал за действие със стимули на или над прага, или потенциал за действие не се предизвиква. Второ, потенциалите за действие са много кратки събития с продължителност само около няколко милисекунди. Инициирането на потенциал за действие е донякъде аналогично на прилагането на съвпадение към предпазител. Необходима е определена температура за запалване на предпазителя (т.е. предпазителят има праг). Съвпадение, което генерира по-голямо количество топлина от праговата температура, няма да накара предпазителя да изгори по-ярко или по-бързо. Точно както потенциалите за действие се извличат по начин „всичко или нищо“, те също са размножава се по начин на всичко или нищо. След като потенциалът на действие се инициира в една област на неврон, като например тялото на клетката, този потенциал на действие ще се разпространи по аксона (като горящ предпазител) и в крайна сметка ще нахлуе в синапса, където може да инициира процеса на синаптично предаване.

В примера на фигура 3 беше генериран само един потенциал за действие, тъй като продължителността на всеки от двата надпрагови стимула беше толкова кратка, че имаше достатъчно време само за иницииране на един потенциал за действие (т.е. стимулът приключи преди завършването на потенциала за действие неговият цикъл на деполяризация-реполяризация). Но, както е показано в анимациите на Фигура 4, по-продължителните стимули могат да доведат до иницииране на множество потенциали на действие, чиято честота зависи от интензивността на стимула. Следователно е очевидно, че нервната система кодира информация не по отношение на промените в амплитудата на потенциалите на действие, а по-скоро в тяхната честота. Това е много универсално свойство. Колкото по-голям е интензитетът на механичния стимул към рецептора за докосване, толкова по-голям е броят на потенциалите за действие, толкова по-голямо е количеството на разтягане към мускулния рецептор за разтягане, колкото по-голям е броят на потенциалите за действие, толкова по-голям е интензитетът на светлината, толкова по-голям е брой потенциали на действие, които се предават на централната нервна система. По същия начин, в двигателната система, колкото по-голям е броят на потенциалите на действие в моторния неврон, толкова по-голямо ще бъде свиването на мускула, който получава синаптична връзка от този моторен неврон. Инженерите наричат ​​този тип кодиране на информация импулсна честотна модулация.

Синаптични потенциали и синаптична интеграция

Фигура 5 илюстрира три неврона. Оцветеният в зелен цвят ще бъде наричан възбуждащ неврон по причини, които ще станат ясни скоро. Той прави връзка с постсинаптичния неврон, оцветен в синьо. Следите по-долу (натиснете "Play") илюстрират последиците от инициирането на потенциал за действие в зеления неврон. Този потенциал на действие в пресинаптичния неврон води до намаляване на мембранния потенциал на постсинаптичната клетка. Потенциалът на мембраната се променя от стойността на покой от около -60 миливолта до по-деполяризирано състояние. Този потенциал се нарича възбуждащ постсинаптичен потенциал (EPSP). Той е „възбуждащ“, защото придвижва мембранния потенциал към прага и е „постсинаптичен“, защото е потенциал, записан от постсинаптичната страна на синапса. Като цяло (и това е важен момент), единичен потенциал на действие в пресинаптична клетка не произвежда достатъчно голям EPSP, за да достигне праг и да задейства потенциал на действие. Но ако в пресинаптичната клетка се задействат множество потенциали на действие, съответните множество възбуждащи потенциали могат да се сумират чрез процес, наречен времево сумиране за достигане на праг и задействане на потенциал за действие. EPSP могат да се разглеждат като „сигнал за движение“ към постсинаптичния неврон за предаване на информация през мрежов път.

Червено оцветеният неврон на фигура 5 се означава като инхибиторен неврон. Подобно на зеления неврон, той също осъществява синаптичен контакт със синия постсинаптичен неврон. Той също така освобождава пратеник на химически предавател, но последствията от свързването на предавателя от синята клетка с рецепторите на постсинаптичната клетка са противоположни на последиците от предавателя, освободен от зеления неврон. Последствието от потенциала на действие в червения пресинаптичен неврон е да се произведе нараства в мембранния потенциал на синия постсинаптичен неврон. Мембранният потенциал е по-отрицателен, отколкото беше преди (а хиперполяризация) и следователно мембранният потенциал е по-далеч от прага. Този тип потенциал се нарича инхибиторен постсинаптичен потенциал (IPSP) тъй като има тенденция да попречи на постсинаптичния неврон да изстреля потенциал за действие. Това е "стоп сигнал" за постсинаптичната клетка. Така че зеленият неврон казва „върви“, а червеният неврон казва „стоп“. Сега какво трябва да прави постсинаптичният неврон?

Невроните са като машини за добавяне. Те непрекъснато сумират възбуждащия и инхибиторния синаптичен вход във времето (темпорално сумиране) и в областта на дендритите, получаващи синаптични контакти (пространствено сумиране), и ако това сумиране е на или над прага, те задействат потенциал за действие. Ако сумата е под прага, не се инициира потенциал за действие. Това е процес, наречен синаптична интеграция и е илюстрирано на фигура 5. Първоначално два потенциала на действие в зеления неврон произвеждат сумиращи EPSP, които задействат потенциал на действие в синия неврон. Но ако IPSP от инхибиторния неврон се появи точно преди два потенциала на действие във възбуждащия неврон, сумирането на единия IPSP и двата EPSP е под прага и в постсинаптичната клетка не се предизвиква потенциал на действие. Инхибиторният неврон (и инхибирането като цяло) е начин за стробиране или регулиране на способността на възбуждащ сигнал да задейства постсинаптична клетка.

Както беше посочено по-рано в главата, един неврон може да получава контакти от до 10 000 пресинаптични неврона и от своя страна всеки един неврон може да контактува с до 10 000 постсинаптични неврони. Комбинаторната възможност може да доведе до изключително сложни невронни вериги или мрежови топологии, което може да е много трудно за разбиране. Но въпреки потенциалната огромна сложност, много може да се научи за функционирането на невронните вериги чрез изследване на свойствата на подмножество от прости конфигурации на вериги. Фигура 6 илюстрира някои от тези микросхеми или микромрежови мотиви. Макар и прости, те могат да направят голяма част от това, което трябва да се направи от нервната система.

Възбуждане с предна връзка. Позволява на един неврон да предава информация на своя съсед. Дългите вериги от тях могат да се използват за разпространение на информация през нервната система.

Инхибиране напред. Пресинаптичната клетка възбужда инхибиторен интерневрон (интерневронът е неврон, разположен между два неврона) и този инхибиторен интерневрон след това инхибира следващата последователна клетка. Това е начин за изключване или ограничаване на възбуждането в неврон надолу по веригата в невронна верига.

Сближаване/дивергенция. Една постсинаптична клетка получава конвергентен вход от множество различни пресинаптични клетки и всеки отделен неврон може да направи различни връзки с много различни постсинаптични клетки. Дивергенцията позволява на един неврон да комуникира с много други неврони в мрежа. Конвергенцията позволява на неврон да получава вход от много неврони в мрежа.

Странично инхибиране. Пресинаптичната клетка възбужда инхибиторните интерневрони и те инхибират съседните клетки в мрежата. Както е описано подробно по-късно в главата, този тип верига може да се използва в сензорни системи за осигуряване на подобрение на ръбовете.

Обратна връзка/повтарящо се инхибиране. В панел E1 пресинаптичната клетка се свързва с постсинаптичната клетка, а постсинаптичната клетка от своя страна се свързва с интерневрон, който след това инхибира пресинаптичната клетка. Тази верига може да ограничи възбуждането в пътя. Някакво първоначално възбуждане ще бъде изключено, след като червеният интернейрон стане активен. В панел E2 всеки неврон в затворената верига инхибира неврона, към който е свързан. Тази верига изглежда не прави нищо, но, както ще се види по-късно в главата, може да доведе до генериране на сложни модели на пикова активност.

Обратна връзка/повтарящо се възбуждане. В панел F1 пресинаптичен неврон възбужда постсинаптичен неврон и този постсинаптичен неврон възбужда пресинаптичния неврон. Този тип верига може да изпълнява функция, подобна на превключвател, тъй като след като пресинаптичната клетка се активира, това активиране може да бъде увековечено. Активирането на пресинаптичния неврон може да включи тази мрежа и тя да остане включена. Панел F2 показва варианти на възбуждане с обратна връзка, при които пресинаптичен неврон възбужда постсинаптичен неврон, който може да се възбуди с обратна връзка (a, an аутапс) или други неврони, които в крайна сметка дават обратна връзка (b) към себе си.

Тези прости мотиви са повсеместни компоненти на много невронни вериги. Нека разгледаме някои примери за това какво могат да правят тези мрежи.

Възбуждане напред и инхибиране напред

Една от най-добре разбраните микросхеми е веригата, която медиира прости рефлексни поведения. Фигура 7 илюстрира схемата за така наречения рефлекс на коляно или разтягане. Невролог удря коляното с гумено почукване, което предизвиква удължаване на крака. Този тест се използва като прост начин за изследване на целостта на някои от сензорните и двигателните пътища в гръбначния мозък. Докосването на чука разтяга мускула и води до иницииране на потенциали за действие в сензорни неврони в мускула, които са чувствителни към разтягане. (Потенциалите на действие са представени от малките ярки „светлини“ в анимацията.) Потенциите на действие се инициират по начин „всичко или нищо“ и се разпространяват в гръбначния мозък, където аксонът се разделя (раздвоява) на два клона.

Нека първо обсъдим клона вляво, който образува синаптична връзка (зелен триъгълник) с екстензор (E) моторен неврон (оцветен в син цвят). Потенциалът на действие в сензорния неврон нахлува в синаптичния край на сензорния неврон, причинявайки освобождаване на предавател и последващо възбуждане на моторния неврон. Разтягането към мускула води до потенциал на действие в моторния неврон (MN), който след това разпространява периферния нерв, за да нахлуе в синапса на мускула, причинявайки освобождаване на предавател и потенциал на действие в мускула. Потенциалът на действие в мускулната клетка води до свиване на мускула и удължаване на крайника. И така, тук имаме проста верига за възбуждане с упражнение, която медиира поведение.

Сега нека разгледаме десния клон на аксона на сетивния неврон от фигура 7. Потенциалът за действие в сензорния неврон нахлува в синаптичния край на сензорния неврон, причинявайки освобождаване на предавател и последващо възбуждане на постсинаптичния интерневрон, оцветен в черно. Този неврон се нарича интерневрон тъй като е разположен между един неврон (тук SN) и друг неврон (тук MN). Възбуждането на интерневрона води до иницииране на действие и последващо освобождаване на предавателя от пресинаптичния терминал на интерневрона (черен триъгълник), но за този клон на веригата предавателят води до IPSP в постсинаптичния флексор (F ) двигателен неврон (оцветен в червено). Функционалните последици от това инхибиране напред са намаляването на вероятността флексорният моторен неврон да стане активен и да предизвика неподходяща флексия на крака.

Сближаване и дивергенция

Опростената верига, медиираща рефлекса на разтягане, е обобщена на фигура 8. Въпреки това, правилната функция на веригата на рефлекса на разтягане също разчита на конвергенция и дивергенция. Един сензор има множество клонове, които се разминават и правят синаптични връзки с много отделни моторни неврони (щракнете върху "Divergence"). Следователно, когато мускулът се свива в резултат на потупване на невролога, това се случва, защото множество мускулни влакна се активират едновременно от множество моторни неврони. Освен това, когато мускулът е разтегнат, се активира не един, а множество сензорни неврони и всички тези сензорни неврони се проектират в гръбначния мозък, където се сближават с отделни екстензорни моторни неврони (щракнете върху "Convergence"). И така, рефлексът на разтягане се дължи на комбинираните ефекти от активирането на множество сензорни неврони и екстензорни моторни неврони.

Странично инхибиране

Подобряване на ръбовете. Страничното инхибиране е много важно за обработката на сензорна информация. Един пример е явление във визуалната система, наречено усилване на ръбовете. Фигура 9 илюстрира две ленти, тъмно сива лента отляво и светлосива лента отдясно. Въпреки че тъмната лента и светлата лента са с еднаква яркост във всяко поле, внимателно изследване разкрива, че светлосивата лента изглежда малко по-светла на границата на тъмносивата лента, отколкото в другите области на полето. За разлика от тях, тъмносивата лента изглежда малко по-тъмна на границата, отколкото в други области на тъмното поле. Това е феномен на усилване на ръбовете, което помага на визуалната система да извлича важна информация от визуални сцени. Увеличаването на ръбовете се медиира, поне отчасти чрез странично инхибиране в ретината.

Нека първо разгледаме верига без странично инхибиране (Фигура 10, щракнете върху "Без странично инхибиране"). Светлината пада върху ретината (Част А) и интензитетът може да се опише чрез стъпаловиден градиент (Част Б). Като опростяване приемете, че тъмносивата област има интензитет от пет единици, а светлосивата област има интензитет от десет единици. Градиентът на светлината активира фоторецепторите и фоторецепторите създават синаптични връзки с неврони от втори ред. Да приемем, че интензитетът на светлината от 5 единици води до 5 пика/сек, а интензитетът на светлината от 10 единици води до 10 пика/сек (част С) във фоторецепторите и че синаптичната сила е достатъчна (тук е обозначена като +1) така че интензитетът на светлината от 5 единици води до 5 пика/сек, а интензитетът на светлината от 10 единици води до 10 пика/сек (част С) съответно в невроните от втори ред. Ако не се случи по-нататъшна обработка на информацията, градиентът, който се възприема, ще бъде точно същият като градиента на интензитета на светлината (Част Б, червена следа). Но това не е това, което се възприема и страничното инхибиране обяснява разликата.

Сега помислете за разширената верига със странично инхибиране (щракнете върху "С странично инхибиране"). Всеки един от фоторецепторите създава инхибиторни синаптични връзки със съседния си неврон от втори ред. Силата на инхибирането (означена с -0,2) е по-малка от силата на възбуждането (дарено от +1). Преди да погледнете границата, помислете за изхода на веригата в еднаквите области на всяко поле. Далеч от дясната страна на границата всички клетки получават едно и също възбуждане и същото инхибиране. Без странично инхибиране, интензитетът на светлината от 10 единици би произвел 10 пика/s в неврона от втори ред. Но поради инхибиторната връзка от съседните неврони отдясно и отляво, изходът се намалява до 6 пика/сек. Същото важи и за клетките далеч вляво от границата, но величината на възбуждането е по-малка и съответно величината на инхибирането е по-малка. Обработката на ключа се извършва на границата или ръба. Обърнете внимание, че невронът точно вдясно от границата получава същото инхибиране от неврона отдясно, но получава по-малко инхибиране от неврона отляво от другата страна на границата. Следователно, той получава повече нетно възбуждане и има изход от 7 пика/s, а не 6 пика/s на съседа си вдясно. Сега погледнете неврона вляво от границата. Получава слабо инхибиране от съседа си вляво, но по-силно инхибиране от съседа отдясно от другата страна на границата. Следователно, той получава по-малко нетно възбуждане и има изход от 2 пика/s, а не 3 пика/s на съседа си отляво. Така че в резултат на странично инхибиране информацията, предавана на нервната система и градиента, който се възприема, ще бъде версия на оригиналния с подобрена граница или ръб (Фигура 10В)!

ленти на Мах. Простата верига на ретината със странично инхибиране може да отчете феномена на усилване на ръбовете. Тя може също да обясни визуална илюзия, известна като ленти на Мах. Фигура 11 илюстрира градиент от светли и тъмни вертикални ленти и през тези ленти е тънка хоризонтална линия. Изглежда, че хоризонталната линия има неравномерно разпределение на интензитета, като тя е по-тъмна в областта на светлите вертикални градиенти и по-светла в областта на тъмните вертикални градиенти. Това е визуална илюзия. Илюзията може да бъде разкрита чрез поставяне на маска върху вертикалния градиент. (Натиснете "Play", за да добавите маската.) Сега можете да видите, че хоризонталната лента има еднакъв интензитет. В някои области се възприема по-тъмно, тъй като клетките в ретината, които реагират на по-тъмната област на хоризонталната лента, са силно инхибирани от клетките, отговарящи на светлата област на вертикалната лента. За разлика от тях, лентата се възприема по-ярка в някои региони, тъй като клетките в ретината, които реагират на по-светлата област на хоризонталната лента, са слабо инхибирани от клетките, реагиращи на тъмната област на вертикалната лента.

Обратна връзка/повтарящо се инхибиране

Инхибиране на обратната връзка в микросхемите. Инхибирането на обратната връзка играе основна роля в затихването на възбуждането чрез невронна верига. Класически пример е Реншоу клетка в гръбначния мозък. Аксонът на гръбначния моторен неврон се разклонява. Единият клон инервира мускула, както е описано по-рано (например, Фигура 7), а другият клон прави възбуждаща синаптична връзка с интерневрон, наречен Renshaw клетка. Интерневронът от своя страна инхибира моторния неврон, като по този начин затваря цикъла. Друг пример за инхибиране на обратната връзка се намира в хипокампуса. Пирамидалните клетки от типа СА3 правят възбуждащи връзки с кошничните клетки и обратната връзка на кошничките, за да инхибират СА3 клетките. Терминът повтарящо се инхибиране се прилага към прости вериги за инхибиране на обратна връзка, като веригата на Renshaw в гръбначния мозък и веригата с кошнички в хипокампуса.

Инхибиране на обратната връзка в наносхеми. Инхибирането на обратната връзка не само преобладава в много невронни вериги, но също така преобладава в биохимичните вериги. Тук може да служи като субстрат за генериране на трептения. Те могат да обхващат множество времеви скали от секунди до дни в зависимост от молекулярните компоненти на веригата.

Фигура 12. От Byrne, Canavier, Lechner, Clark and Baxter, 1996.

Фигура 14. Модифицирано от Hastings et al., Nature Rev. Neurosci., 2003.

Инхибиране на обратната връзка в пръстеновидните вериги. Повтарящото се инхибиране може, поне по принцип, да обясни генерирането на сложни двигателни ритми, пример за които е четириножната локомоция. Четириногото разположение е интересно, защото четириногите са способни не само да движат четирите си крака, но и да генерират различни видове цикли на активност, наречени походки. Фигура 16 илюстрира четири походки. Първият панел е разходка (задръжте курсора на мишката над панела). Последователността започва с удължаване на левия преден крайник. Това е последвано от разширения на десния заден крайник, десния преден крайник и левия заден крайник. В тръс (втори панел на фигура 16) (задръжте курсора на мишката над панела) левите предни и десните задни крайници са във фаза един с друг и на 180 градуса извън фаза с десните предни и левите задни крайници. В обвързания (трети панел) (задръжте курсора на мишката над панела) левите предни и десните предни крайници са във фаза, но 180 градуса извън фаза с левите задни и задните задни крайници. Галопът (четвърти панел) (задръжте курсора на мишката над панела) е вариант на bound, при който има лека фазова разлика между десния и левия предни крайници и задните крайници.

Как нервната система генерира тези походки? И необходими ли са отделни невронни вериги за всяка една? За съжаление, невролозите не знаят отговорите на тези въпроси, но е поучително да разгледаме някои възможности. Това е подход в областта на неврологията, наречен Изчислителна и теоретична невронаука. Един от начините за генериране на походка е илюстриран на Фигура 17. Вземете четири отделни неврона, всеки с ендогенна разрушаваща активност, като тази, илюстрирана по-рано на Фигура 12, и присвоете активността на всеки един от тези неврони на контрола на специфичен крайник. Невроните могат да бъдат „стартирани“, така че да имат подходящите фазови взаимоотношения, за да генерират походка, като връзката, илюстрирана на Фигура 16. Трудността би била да се стартират невроните точно в точното време. Друг проблем биха били леки „отклонения“ в периодите на колебания на четирите независими неврона, които с течение на времето биха довели до некоординиране на модела (Фигура 18). Това куче няма да спечели никакви състезания и вероятно няма да може да ходи.

Така че очевидно невроните трябва да бъдат свързани. Един от начините да се направи това е да се използва повтаряща се верига на инхибиране, състояща се от четири свързани неврона, за да се образува така наречената „пръстена“ верига, където всеки неврон във веригата има ендогенна разрушаваща активност и всеки неврон е свързан със следващия с инхибираща синаптична връзка ( Фигура 19А).

Фигура 19. Променено от Canavier, Butera, Dror, Baxter, Clark and Byrne, 1997.

За да се получат правилните фазови съотношения за походките, вместо да се присвоява Неурон 3 да бъде десният преден крайник, той е назначен да контролира десния заден крайник, а Неурон 4 е назначен да контролира десния преден крайник (просто завъртане на веригата) ( Фигура 19В). Когато се реализира с компютърна симулация, тази единична схема е в състояние да генерира четириноги порти. Освен това една и съща верига, само с малки промени в свойствата на отделните неврони, може да генерира всяка от четирите походки, илюстрирани на Фигура 17 (Фигура 20).

Този резултат показва важен момент за невронните мрежи. За да ги разберем, е необходимо да се разбере не само топологията на мрежата, но и естеството на връзките между невроните (независимо дали са възбуждащи или инхибиращи), както и свойствата на отделните възли (т.е. неврони). Също така, тази симулация илюстрира явление, наречено динамично преконфигуриране. Не е необходимо да имате четири различни мрежи, за да генерирате тези четири различни походки - всичко може да се направи с една верига. Действителната верига, генерираща четириножна походка, е по-сложна от тази на фиг. 19. Заинтересованият читател е препратен към скорошен преглед на Ole Keihn (вижте допълнително четене)

Обратна връзка/повтарящо се възбуждане

Повтарящото се възбуждане в нановериги и микросхеми изглежда е от решаващо значение за процесите на учене и памет. Ученето включва промени в биофизичните свойства на невроните и промени в синаптичната сила. Натрупването на доказателства сочи, че положителната обратна връзка в биохимичните каскади и генните мрежи е важен компонент за индуцирането и поддържането на тези промени. Освен това, повтарящо се възбуждане се открива в поне някои микросхеми, участващи в процесите на паметта. Отличен пример се намира в областта CA3 на хипокампуса.

Фигура 21. Променено от Бърн и Робъртс, 2009 г.

Фигура 21 илюстрира ключови характеристики на CA3 повтаряща се възбудителна верига. Шест различни хипокампални пирамидални неврона са обозначени като У, V, У, х, Й, и З. Всеки един от тези неврони получава синаптична връзка от белязаните пресинаптични неврони а, б, ° С, д, д, и е. Тези пресинаптични неврони могат да бъдат активни или неактивни с a 0 и черен цвят, представляващ неактивен неврон и a 1 и зелен цвят, показващ активен. Важен аспект на тази схема е, че синаптичните връзки от входния път са достатъчно силни, за да активират (запалят) пирамидалния неврон, към който са свързани. Например, ако неврон а се активира, неврон З ще се активира, което е представено като a 1 на изходната лента. Тази топология не е нищо повече от пренасочващо възбуждане. Взаимното възбуждане прави тази верига специална. Например неврон З а другите пирамидални неврони имат аксонни колатерали, които имат обратна връзка, за да се свържат със себе си. Но те не само създават връзка със себе си. Всеки неврон прави връзка с всеки от четирите други пирамидални неврони във веригата. Така всеки пирамидален получава конвергентна информация от всички останали клетки в мрежата и от своя страна изходът на всеки пирамидален неврон се разминава, за да направи синаптични връзки с всички останали пирамидални неврони във веригата. (Следователно този повтарящ се мотив на възбуждане е вградил в него мотивите за сближаване и дивергенция.) матрица на свързаност се състои от 36 елемента.

За да може тази мрежа да научи нещо, във веригата трябва да бъде вградено правило за обучение на синаптична пластичност. Един, който е широко приет, е известен като Правило за обучение на Хеб. По същество той гласи, че синапсът ще промени силата си, ако този синапс е активен (т.е. освобождава предавател) и, в същото време постсинаптичната клетка е активна. Комбинацията от това правило за обучение и повтарящата се възбудителна верига води до някои интересни възникнали свойства. Например, ако неврон З се активира чрез въвеждане а, силата на връзката му със себе си (синапс 1) ще се промени, както е показано от синапса с зелен цвят на фигура 21 (задръжте курсора на мишката над илюстрацията). Обаче синапс 1 няма да бъде единственият синапс, който ще бъде укрепен. Например синапс 13 също ще бъде засилено, защото неврон З беше активен в същото време неврон х беше активиран чрез въвеждане ° С. Обратно, синапсът 7 не се укрепва, защото неврон Й не е бил активен едновременно с неврон З. Нетният ефект от тази конвергенция и дивергенция и правилото за обучение е, че първоначалният входен модел на дейност ще бъде съхранен като промени в елементите на матрицата за свързване. Следователно тази верига е наречена мрежа за автоматично асоцииране. Важна концепция тук е, че „паметта“ не е в нито един синапс разпределени в мрежата.

Постигнат е значителен напредък в разбирането как различни прости невронни мрежи участват в обработката на информация и посредническото поведение. Възбуждането напред и инхибирането напред медиират рефлексните поведения. Страничното инхибиране е важно за подобряване на ръбовете. Повтарящото се възбуждане е важен механизъм за паметта. Повтарящото се инхибиране може да бъде важно за генериране на локомоторно поведение. Конвергенцията и дивергенцията са вградени в тези микросхеми. Същите видове мрежови мотиви са рекапитулирани в биохимични и генни мрежи.

Следващото ниво на разбиране е на нивото на невронните мрежи, които медиират по-сложни, така наречените функции от по-висок порядък на мозъка. Тяхното разбиране става възможно чрез използването на електрофизиологични и оптични техники за запис, както и съвременни техники за изобразяване като напр. функционален магнитен резонанс (fMRI) и дифузионно тензорно изображение (DTI). fMRI позволява на изследователите да идентифицират области от мозъка, които са ангажирани с когнитивни задачи, докато DTI позволява визуализиране на пътища, свързващи един мозъчен регион с друг. Фигура 22 (с любезното съдействие на Тим Елмор, д-р, катедра по неврохирургия, Медицинското училище на Тексаския университет в Хюстън) е страничен изглед на човешкия мозък, показващ пътищата, свързващи взаимно кортикални области, разкрити с помощта на DTI.

Фигура 22. С любезното съдействие на Tim Ellmore, Ph.D.

Разпознаването на обекти е пример, при който се постига напредък в разбирането на макросхемите. Както е илюстрирано на фигура 23, обработката на визуална информация започва в ретината и след това ангажира множество кортикални области като тилната кора и темпоралната кора. В рамките на тази макросхема има модули, които извличат информация от по-висок ред. Всеки модул вероятно включва стотици, ако не и хиляди отделни микросхеми. Предизвикателството за бъдещето е да се определи как работят тези модули и как взаимодействат с други модули. Въпреки че съществуват връзки с пренасочване, връзките за обратна връзка и страничните връзки са широко разпространени. Предизвикателството е огромно, но може би постигането на целта ще бъде улеснено, като се възползваме от наученото за принципите на наносхемите и микросхемите. За да разберете макросхемите, ще е необходимо да знаете повече от топологията на мрежовите връзки. Ще е необходимо да се знае как функционира всеки модул и за динамиката на връзките между модулите.

Фигура 23 . От Фелеман и Ван Есен, 1991 г.

Общите мотиви на веригата, които медиират рефлекса на разтягане на гръбначния стълб, включват всички изброени по-долу ОСВЕН:

A. Възбуждане с предна връзка

Б. Инхибиране на предната връзка

C. Инхибиране на обратната връзка

D. Странично инхибиране

E. Дивергенция

Общите мотиви на веригата, които медиират рефлекса на разтягане на гръбначния стълб, включват всички изброени по-долу ОСВЕН:

A. Възбуждане с предна връзка Този отговор е НЕТОЧЕН.

Б. Инхибиране на предната връзка

C. Инхибиране на обратната връзка

D. Странично инхибиране

E. Дивергенция

Общите мотиви на веригата, които медиират рефлекса на разтягане на гръбначния стълб, включват всички изброени по-долу ОСВЕН:

A. Възбуждане с предна връзка

Б. Инхибиране на пренасочване Този отговор е НЕТОЧЕН.

C. Инхибиране на обратната връзка

D. Странично инхибиране

E. Дивергенция

Общите мотиви на веригата, които медиират рефлекса на разтягане на гръбначния стълб, включват всички изброени по-долу ОСВЕН:

A. Възбуждане с предна връзка

Б. Инхибиране на предната връзка

В. Инхибиране на обратната връзка Този отговор е НЕТОЧЕН.

D. Странично инхибиране

E. Дивергенция

Общите мотиви на веригата, които медиират рефлекса на разтягане на гръбначния стълб, включват всички изброени по-долу ОСВЕН:

A. Възбуждане с предна връзка

Б. Инхибиране на предната връзка

C. Инхибиране на обратната връзка

Г. Странично инхибиране Този отговор е ТОЧЕН!

E. Дивергенция

Общите мотиви на веригата, които медиират рефлекса на разтягане на гръбначния стълб, включват всички изброени по-долу ОСВЕН:

A. Възбуждане с предна връзка

Б. Инхибиране на предната връзка

C. Инхибиране на обратната връзка

D. Странично инхибиране

Д. Разминаване Този отговор е НЕТОЧЕН.


ДИСКУСИЯ

Спиналната мускулна атрофия при хора и миши модели се характеризира с изразена слабост на специфични мускулни групи. Въпреки това, сравнително скромните промени в предаването в нервно-мускулната връзка на SMA моделни мишки изглежда малко вероятно да обяснят тежкия фенотип. Тук съобщаваме, че предаването в моносинаптичната рефлексна дъга, образувана между проприоцептивните аференти и гръбначните моторни неврони, за която е известно, че е важна за двигателната функция, показва масивна и прогресивна недостатъчност в началото на болестния процес. Този функционален дефицит и последващата загуба на моторни неврони са най-силно изразени в моторните неврони, инервиращи проксималните задни крайници и аксиалните мускули (Фигура 9), отразявайки модела на мускулна слабост при пациенти със СМА. Лечението с лекарство, за което е известно, че подобрява двигателната функция и увеличава преживяемостта на мишките с модел на SMA, влияе благоприятно върху всички тези параметри, в подкрепа на идеята, че те отразяват нови терапевтични цели за това нелечимо заболяване.

Схема, показваща промените в сензорно-моторната верига в SMA. L1 моторните неврони инервират както проксималните, така и аксиалните мускули, докато медиалните L5 моторни неврони инервират аксиалните мускули, а страничните L5 латерални моторни неврони инервират дисталните мускули на задните крайници. При SMA скоро след раждането има значителна деаферентация (жълти синапси), която прогресира с възрастта (червена пунктирана линия). В сегмента L5 медиалните моторни неврони се губят няколко дни (P9) след загубата на L1 моторни неврони (P4). Има значителна деаферентация на проприоцептивните синапси преди загубата на L5 медиални моторни неврони (P4). Страничните L5 моторни неврони показват признаци на деаферентация по-късно (P13). Лечението с TSA, оценено след 12 дни ежедневно лечение, обръща загубата на моторни неврони и частично възстановява проприоцептивното синаптично покритие. Гръбначните рефлекси L1, съответстващи на трите състояния, са показани на долния ред.

Промени в сензорните аференти при SMA мишки

Основно, неочаквано откритие на нашето проучване беше значителното намаляване (

70%) - вероятно подценяване поради повишеното входно съпротивление на SMA моторните неврони - в силата на предизвикано синаптично предаване в моносинаптичната рефлексна верига, която вече е очевидна при P4. Прави впечатление, че това намаление е значително по-голямо от морфологичната загуба на VGluT1+ синапси (50%) на същата възраст. Несъответствието предполага, че поне част от синаптичната дисфункция при ранните SMA мишки не е свързана с физическа деаферентация, а с по-фини функционални промени. Тази хипотеза се подкрепя от нашето наблюдение, че останалите VGluT1+ синапси са намалени по размер, което се съобщава, че води до намалена синаптична ефикасност при Ia аферентни синапси (Pierce and Mendell, 1993).

Друго изненадващо наблюдение беше констатацията, че амплитудата на сензорно предизвикания вентрален коренен потенциал при SMA мишки е по-малко отслабена (в сравнение с отговора от див тип) при Р13, отколкото при Р4 (виж Фигури 1С и D). Няколко фактора биха могли да допринесат за този очевидно аномален резултат. Първо, при животни от див тип входното съпротивление на моторните неврони вероятно ще падне значително между P4 и P13, тъй като моторните неврони узряват и тяхното дендритно дърво се разширява. Въпреки че не са налични данни за миши моторни неврони, се съобщава, че входният импеданс на моторните неврони на неонаталните плъхове спада с 50% между P3–P6 и P7–P9 (Mentis et al 2007). Второ, ако анормалните присъщи свойства на SMA моторните неврони - особено повишеното входно съпротивление - са прогресивни, тогава SMA моторните неврони може да имат дори по-високо входно съпротивление при P13, отколкото при P4. Заедно тези два ефекта, прогресивно по-ниско съпротивление на входа в моторните неврони от див тип, но по-високо в SMA моторните неврони с възрастта, ще намалят разликите в отговор на подобно намален вход при по-възрастните животни.

Тези данни повдигат няколко ключови въпроса за механизмите и последователността на молекулярните и клетъчните събития, участващи по време на прогресията на заболяването. Първият се отнася до промените в сензорните неврони на SMA мишки между ранните (P4) и късните (P13) стадии на заболяването. Един модел, предложен от нашите данни, е, че при даден проприоцептивен синапс, намаляването на SMN първо предизвиква свиване и дисфункция на терминала и едва по-късно, може би като вторичен ефект, води до пълно прибиране. Според този модел, по-голямото намаляване на броя на VGluT1+ бутоните при P13 в сравнение с P4 при L1 при SMA мишки може да отразява факта, че в късните етапи повече синапси са достигнали етапа на физическо отмиране. Такава последователност на функционална загуба, последвана от затихване, се разглежда при други невродегенеративни заболявания (Selkoe, 2002 Yoshiyama et al, 2007), въпреки че в никакъв случай не е определена точната последователност от събития. В съответствие с тази идея открихме, че броят на VGluT1+ терминалите върху дендритите на L1 моторните неврони намалява между P0 и P13.

Въпреки това, нашите данни са в съответствие с втори модел, при който загубата на синаптичната функция се дължи по-скоро на неуспех на постнаталното съзряване, отколкото на невродегенерация на аферентния път. Между P4 и P13, броят на VGlut1+ синапсите върху L1 моторните неврони се увеличава средно с 30/сома при мишки от див тип. Той също се увеличава при SMA мишки, но само с 5/soma, което води до намаляване на броя на проприоцептивните синапси в SMA в сравнение с контролите. Подобен феномен се наблюдава за страничните моторни неврони при L5 и дори при медиалните моторни неврони при L5 имаше само скромна загуба на VGlut1+ бутони/сома през същия период. Според този модел, основният фенотип при SMA мишки между P4 и P13 може да бъде неуспех при добавянето на допълнителни Ia синапси с нормална скорост като част от процес на съзряване, а не масивно прибиране на синапсите.

И накрая, също така е възможно някои проприоцептивни аксони да не успеят да достигнат целевите си моторни неврони в SMA мишки. В сегмента L1 това изглежда не се случва до P0, тъй като броят на VGlut1+ терминалите е подобен на WT и SMA моторните неврони в този момент. Въпреки това, не е известно до каква степен пролиферацията на VGlut1+ синапси върху WT моторни неврони между P0 и P14 (виж Фиг. 5) се дължи на пристигането на нови проприоцептивни аксони или на пролиферация чрез разклоняване или поникване на сензорни аксони, които вече са имали проектирани към моторните неврони. В резултат на това намалената и липсваща пролиферация на VGluT1+ бутони върху SMA моторни невронни сомати и дендрити съответно може да се дължи на неуспех на проекцията на сензорния аксон, разклоняването на сензорния аксон или на дефицити в двата процеса.

Втори въпрос се отнася до механизмите, чрез които намаляването на SMN води до загуба на функцията на проприоцептивния синапс. По принцип, като се има предвид, че SMN протеинът се експресира в моторни неврони и DRG (вижте Suppl. Фигура 5), промените в единия или и в двата типа клетки могат да допринесат за фенотипа. Намаляването на невротрансмисията по този път е малко вероятно да се обясни с промените във вътрешните свойства на моторния неврон (повишено входно съпротивление), наблюдавани при заболяването, което би имало тенденция да усилва, а не да потиска синаптичните потенциали. Това прави по-вероятно промените в сензорните аференти да са отговорни за намалената синаптична сила. Тъй като открихме нормален брой мускулни вретена и проприоцептивни неврони в ганглиите на дорзалния корен в краен стадий, фенотипът на SMA вероятно включва централните аксонални проекции. При гризачите връзките между Ia аферентите и моторните неврони първо се формират малко преди раждането (E16) и прогресивно узряват през постнаталния период (Kudo and Yamada, 1987 Mears and Frank 1997, Seebach и Ziskind-Conhaim 1994). Сензорните неврони, изолирани от тежък миши модел на SMA, показват намален капацитет за растеж на аксона (Jablonka et al., 2006), така че някои Ia синапси може да не се образуват или да го направят късно по време на ембриогенезата. Дори за тези синапси, които се образуват, намаляването на SMN може да създаде бариери пред нормалното съзряване, тъй като при SMA са докладвани дефицити в аксоналния транспорт и е известно, че първичните аференти са изключително зависими от аксоналния транспорт за трофични взаимодействия с техните цели (Chen et. др., 2007). По-специално, известно е, че извлеченият от мускулното вретено невротрофин 3 (NT-3) медиира постнаталната пролиферация, узряване и поддържане на Ia аферентни централни синапси върху постнаталните моторни неврони (Patel et al, 2003 Chen et al., 2002 Wang et al., 2007 Шнайдер и др., 2009а). В подкрепа на тази идея се съобщава, че NT3 засилва растежа на невритите в SMA сензорни невронни култури (Jablonka et al, 2006).

На трето място, от решаващо значение е да се установи дали изразеното намаляване на моносинаптичния рефлекс е достатъчно, за да обясни тежкия моторен фенотип на SMA-㥇 мишки или този на пациенти със SMA при хора. Твърди се, че Ia аферентите представляват само малък процент от всички синаптични входове към зрели моторни неврони (Fyffe, 2001) и техният точен принос към синаптичната модулация на задействането на моторните неврони по време на ранното постнатално развитие все още не е напълно разбран.Независимо от това, при възрастни те допринасят значително количество синаптичен двигател, който непрекъснато модулира двигателната мощност, мускулната скованост и тонуса, което е особено важно за постуралния контрол (Davidoff, 1992 Dietz and Sinkjaer, 1997). По този начин, при SMA мишки, загубата на функция на рефлекс на разтягане може да допринесе за дефицити в изправянето по време на заболяването.

Въпреки че малко проучвания са изследвали гръбначния рефлекс при пациенти със SMA при хора, се съобщава, че дълбоките сухожилни рефлекси и H-рефлекси липсват при част от пациентите със SMA (Iannaccone et al., 1993, Renault et al., 1983). Интерпретацията на този резултат се усложнява от наличието на загуба и дисфункция на клетки от моторни неврони, които биха могли да обяснят отсъстващите рефлекси. Въпреки това, когато тази констатация се разглежда в светлината на нашите настоящи резултати, тя повдига възможността загубата на централни Ia аференти да бъде обща характеристика на заболяването както при пациенти при хора, така и при животински модели. Не сме определили количествено аферентно-предизвиканите от мускулите полисинаптични реакции към моторни неврони, тъй като те са лабилни и трудни за надеждно количествено определяне. Независимо от това, аферентните синапси на гръбначните интерневрони също могат да бъдат компрометирани, което води до намаляване на полисинаптичното задвижване към моторните неврони.

Промени в моторните неврони при SMA мишки

Вторият набор от констатации от нашето изследване се отнася до самите моторни неврони. Ние открихме селективност в модела на загуба на моторни неврони, който изглежда е много релевантен за клиничния фенотип, и ние показахме, че оцелелите моторни неврони показват значителни промени в техните присъщи електрофизиологични свойства.

Въпреки че съществуващите данни за след смъртта материал от пациенти със SMA сочи към обширна смърт на моторни неврони, особено в тежките случаи от тип 1 (Robertson et al, 1978 Soler-Botija et al, 2002), проучвания, проведени с помощта на миши модели, заключават, че загубата на моторни неврони е изненадващо скромна. Отчетените стойности варират от липса на загуба (Kariya et al, 2008) до

60% (Passini et al, 2010) в краен стадий и варират значително между различните проучвания (Le et al, 2005 Passini et al, 2010 Rose et al, 2009 Avila et al, 2007). Нашите данни дават обяснение за тези несъответствия и нов поглед върху специфичните включени популации на моторни неврони. Страничните моторни неврони, инервиращи дисталните крайници, които съставляват по-голямата част от моторните неврони в лумбалното разширение, са относително пощадени, поне по време на живота на SMA-㥇 мишки. За разлика от тях, ростралните и медиалните моторни неврони, които са по-малко изобилни и инервират аксиалните мускули и проксималните мускули на крайниците, показват значително и прогресивно намаляване на броя. Клиничните наблюдения отдавна показват подобна селективност на мускулната слабост при SMA, но не е ясно до каква степен това отразява разликите в дисфункцията между популациите на моторни неврони или самите мускули. Нашите данни предполагат, че селективната загуба на моторни неврони може да допринесе за клиничното представяне на симптомите и прогресията на заболяването. Освен това, сходството между модела на мускулна слабост при човешки и миши форми на заболяването предполага, че селективната уязвимост на медиалните моторни неврони не се дължи на вариации в експресията на SMN2 трансген в медиалните и страничните моторни неврони. Възможно е обаче експресията на SMN протеина да е диференциално регулирана в медиалните спрямо страничните моторни неврони, тъй като са докладвани тъканно-специфични вариации в нивата на пълноразмерен и пресечен SMN протеин (Soler-Botija et al, 2005 Vezain et al, 2007). Други функционални и молекулярни разлики между подгрупи моторни неврони, които биха могли да увеличат тяхната чувствителност към заболяване, едва започват да се дефинират (за преглед вижте Kanning et al, 2010).

Загубата на моторни неврони настъпва след ранните промени в проприоцептивния аферентен вход. Това е особено ясно в сегмента L5, където ясни дефицити в VGlut1+ синаптичното покритие са очевидни в медиалните и страничните популации, преди да може да бъде открита загубата на клетки. Въпреки че загубата на синаптичните и моторните неврони настъпва по различно време, нашите данни предполагат, че те са свързани, тъй като популациите, които показват най-голямо намаляване на инервацията на Ia, са тези, които впоследствие показват по-изразена загуба на моторни неврони. Това повдига въпроса дали загубата на моторни неврони може да бъде пряк резултат от деаферентация. Експериментите с пилешки ембриони показват повишена клетъчна смърт на моторните неврони след отстраняване на нервния гребен и всички сензорни аференти (Okado and Oppenheim, 1994). Редица проучвания при гризачи обаче оспорват тази възможност. Съобщава се, че неонаталната дорзална ризотомия при плъхове води до липса на загуба на моторни неврони (O’Hanlon and Lowrie, 1996) или до малко, но значително намаляване на

10% (Chatzisotiriou et al., 2005). Освен това, в няколко генетични миши модела селективната загуба на проприоцептивни аференти изглежда не е придружена от значителна клетъчна смърт на алфа моторни неврони (Tourtelotte и Milbrandt, 1998 Chen et al., 2007 Shneider et al, 2009b). Въпреки това е възможно моторните неврони с дефицит на SMN да бъдат особено уязвими към ефектите на деаферентацията.

Ние съобщаваме, че SMA моторните неврони на ниво L1 са свръхвъзбудими, което е парадоксално, като се има предвид значителното намаляване на техния отговор към първичен аферентен вход. Тази свръхвъзбудимост може да бъде пряко свързана с дефицит на SMN. В подкрепа на това отбелязаният (

4 пъти) увеличаването на входното съпротивление не отразява промяна в размера на сома или броя на първичните дендрити, фактори, за които е известно, че управляват входното съпротивление. Малко вероятно е също така SMA моторните неврони да имат по-къси дендрити, тъй като те се простират на най-малко 250µm от сомата и не наблюдавахме грубо намаляване на разклонението на дендрита. По този начин промените във входното съпротивление вероятно се дължат на промени в разпределението на йонните канали в клетъчната мембрана (специфично мембранно съпротивление). Освен това, по-високата амплитуда на потенциала на действие в SMA невроните, по-бързата скорост на покачване и по-ниският праг сочат към по-голяма наличност на зависими от напрежение Na канали (Miles et al., 2005). Това може да е резултат или от по-високи нива на експресия, по-бавно инактивиране или по-бързо възстановяване от инактивиране.

Свойства на веригата и автономия на клетките

Веригата и синаптичните аномалии, които допринасят за невродегенеративните заболявания, са сложни. Те включват патологични промени, които са вторични по отношение на първичната лезия и могат да бъдат компенсирани на синаптично, верижно и мрежово ниво. Такива компенсаторни промени могат от своя страна да подобрят или обострят заболяването или да инициират необратима каскада от събития, която води до невронална дегенерация (Palop et al, 2006 Bezard et al, 2003). Пример за токсични мрежови взаимодействия е докладван в миши модел на болестта на Алцхаймер, при който пептидът Aβ задейства периодична аберантна възбудителна невронна активност в хипокампуса. Това води до компенсаторно ремоделиране на инхибиторните вериги, като по този начин увеличава инхибирането на гранулираните клетки и компрометира нормалната функция на възбуждащите вериги (Palop et al, 2007).

И двата типа клетки, участващи в моносинаптичната рефлексна дъга (първични аференти и моторни неврони), експресират SMN и така е възможно фенотипите на сензорните и моторните неврони в SMA мишки просто да отразяват клетъчно-автономните резултати от намаляването на SMN. Алтернативна хипотеза е, че дефицитът на SMN в моторните неврони предизвиква промени в Ia аферентите по неклетъчно-автономен начин и че те от своя страна водят до промени в моторните неврони и други типове клетки. Строгото тестване на тази хипотеза ще изисква използването на специфични за клетъчния тип SMN мутанти, но изглежда правдоподобно, че функционалните промени в моторните неврони могат да бъдат вторични на промените в синаптичните входове. Дисбалансът между намалените възбуждащи и поддържаните инхибиторни входове ще доведе до намаляване на активността на моторните неврони и моторните неврони могат да реагират хомеостатично чрез повишаване на тяхната възбудимост, за да компенсират намалената пресинаптична активност. В подкрепа на тази хипотеза, деаферентацията на пилешки магноцелуларни неврони чрез хирургично отстраняване на кохлеята води до увеличаване на аксоналния Iна и невронална свръхвъзбудимост (Kuba et al., 2010). В допълнение, обучение в по-лек модел на SMA (Smn㥇+/+ Smn2) има благоприятни ефекти върху моторния фенотип (Biondi et al, 2008), което може да се дължи на индуцирана от упражнения повишена регулация на сигнализирането на NMDA-рецептора и съответно увеличаване на експресията на SMN ген (Biondi et al., 2010).

Последици за терапията

Една потенциална терапевтична цел вече е идентифицирана в SMA: самият SMN протеин. Съгласуваните данни от човешката генетика и експерименталните данни за мишки предполагат, че ако нивата на SMN могат да бъдат регулирани рано и достатъчно силно, ще има значителна терапевтична полза (Sumner, 2006 Wirth et al, 2006 Oskoui and Kaufmann, 2008). Това наскоро беше демонстрирано чрез използването на вектори за вирусна генна терапия, експресиращи SMN с пълна дължина в неонатални SMA-㥇 мишки (Foust et al, 2010 Passini et al, 2010 Valori et al, 2010). Други обещаващи подходи включват антисенс олигонуклеотиди за насърчаване на правилното сплайсинг на SMN с пълна дължина и лекарства за индуциране на повишена транскрипция от SMN2 ген (Williams et al, 2009 Hua et al, 2010). Въпреки вълнуващия напредък през последните години обаче, остава несигурно какви типове клетки трябва да бъдат насочени за евентуална регулация на SMN.

Нашите данни са от значение за тези опасения. Първо, те ясно идентифицират невротрансмисията в проприоцептивния аферентен синапс като параметър, който трябва да бъде коригиран чрез лечение, насочено към SMN. Второ, те предполагат, че корекцията на дефектите на сензорно-моторното предаване и свързаните с тях фенотипове на моторните неврони може сама по себе си да има значителна терапевтична полза, самостоятелно или в комбинация с регулиране на SMN.

Нашите констатации предоставят един подход за идентифициране на най-критичните параметри, които трябва да бъдат спасени, и за сравняване на способността на различните лечения за постигане на тази цел. TSA е малка молекула, която може да премине кръвно-мозъчната бариера и има доказана терапевтична полза при SMA-㥇 мишка (Avila et al, 2007 Narver et al, 2008) и тук демонстрираме, че може значително да подобри сензорно-моторната дисфункция . Нивата на SMN протеин при животни, третирани с TSA, достигат само

50% от нивото при диви животни (Avila et al, 2007), което може да обясни неуспеха на TSA да обърне напълно сензорно-моторните аномалии. За разлика от ефектите му върху сензорната двигателна функция, лечението с TSA предотвратява загубата на клетки на моторни неврони, което предполага, че оцеляването на моторните неврони може да изисква по-ниско ниво на SMN протеин от необходимото за поддържане на сензорната моторна функция. Съвкупно тези данни предоставят доказателство за принципа на терапевтичното използване на малки молекули за подобряване на синаптичната функция, което вероятно ще бъде ключов фактор за възстановяването на нормалната двигателна функция при това заболяване.


Авторът декларира, че изследването е проведено при липса на каквито и да било търговски или финансови взаимоотношения, които биха могли да се тълкуват като потенциален конфликт на интереси.

Бих искал да благодаря на д-р Стефано Стифани, д-р Артур Кания, д-р Ед Рутазер, д-р Тим Кенеди, д-р Доналд фон Мейел и д-р Кристин Ванде Велде за коментари и корекции. Имената и символите на гени и протеини следват Комитета по генната номенклатура на HUGO към Европейския институт по биоинформатика, достъпен свободно на http://www.genenames.org.


Благодарим на Арвинд Кумар и Волкер Пернис за коментарите относно ръкописа. Тази работа беше подкрепена от Изследователски съвет по биотехнологии и биологични науки (BBSRC) BB/N013956/1, BB/N019008/1 Wellcome Trust 200790/Z/16/Z Simons Foundation 564408 и Изследователски съвет по инженерни и физически науки (EPSRC) EP/60 /1.

Принос на автора: S.S. проектирани изследвания S.S. извършени изследвания S.S. и C.C. анализирани данни и S.S. и C.C. написа вестника.

Авторите декларират, че няма конкурентен интерес.

Тази статия е директно подаване на PNAS.

Тази статия с отворен достъп се разпространява под Creative Commons Attribution License 4.0 (CC BY).


Въведение

Синхронната невронна активност във функционално и пространствено различни мозъчни структури, тоест функционалната свързаност, е отличителен белег на сензомоторната интеграция, познание и поведение по време на периоди на внимателно будност. Неотдавнашното изясняване на мозъчните мрежи, присъщо активни по време на безсъзнание и невнимателна будност, доведе до значително по-нюансиран поглед върху мозъчната функция (Demertzi et al., 2019 Fox et al., 2005 Greicius et al., 2003 Mashour and Hudetz881, 20 ., 2001 Steriade et al., 1993 Wenzel et al., 2019). Несъзнателната мрежова активност обхваща множество пространствено-времеви скали и има известни функции, вариращи от синаптична стабилизация на ниво верига (Puentes-Mestril and Aton, 2017 Tsodyks et al., 1999 Wei et al., 2016) до поддържане на текущи физиологични процеси (Sanchez-Vives et al. др., 2017 г.). Въпреки че откриването на спонтанна, неслучайна мрежова активност по време на безсъзнание изглежда стабилно в различни функционални региони на мозъка, все още предстои да бъде недвусмислено потвърдено дали това явление е запазена характеристика на сложни невронни системи, която се обобщава в гръбначния мозък.

Моделите на функционална свързаност в състояние на покой в ​​гръбначния мозък са само предварително характеризирани (Barry et al., 2014 Chen et al., 2015 Conrad et al., 2018 Eippert et al., 2017 Kong et al., 2014 Tl et al. , 2019 г.). Най-надеждните открития до момента са корелации между спонтанните BOLD сигнали в левия и десния гръбен рог и отделно, левия и десния вентрален рог (VHs) (Barry et al., 2014 Eippert et al., 2017 Kong et al. ., 2014 Tl et al., 2019). Спонтанната свързаност между дорзалния рог и VH, между междинното сиво (IG) и VH и вътре в самия VH все още не е надеждно очертана.

Съществуват и други пропуски. Например, не е известно дали мрежовите топологии, показани от гръбначните BOLD сигнали, отразяват тези, извлечени от шипове влакове на отделни неврони. Наистина, BOLD сигналите са само косвено свързани с пиковата активност (Logothetis et al., 2001 Murayama et al., 2010 Vakorin et al., 2007), което се усложнява от относително грубата пространствено-времева разделителна способност на fMRI в гръбначния мозък. Също така не е ясно дали структурираната активност на ниво единична единица действително продължава в гръбначните мрежи по време на безсъзнание при липса на предизвикано невронно предаване. Най-подходящото доказателство, което предполага, че съвкупната мулти-единична и локална полева потенциална активност в дорзалния рог е широко свързана с BOLD флуктуациите на дорзалния рог, е направено по време на механично сондиране на дерматома (Tl et al., 2019).

Потенциалните функции на интрагръбначната свързаност в състояние на покой също са неизвестни. Интригуваща възможност е, че той играе роля в адаптивната или дезадаптивната невронна пластичност чрез форма на реактивиране и синаптична стабилизация по време на безсъзнание. Тази хипотеза е извлечена от функцията на активността на супраспиналната мрежа по време на сън (Abel et al., 2013 Puentes-Mestril and Aton, 2017 Wei et al., 2016) и е подкрепена от откриването на променени модели на BOLD-базирана интраспинална функционална свързаност при състояния, свързани с дезадаптивна невронна пластичност в гръбначните мрежи (Chen et al., 2015 Conrad et al., 2018). За да има пряка роля в оформянето на невронната пластичност, обаче, необходим субстрат би било тандемното присъствие на синхронен разряд сред популациите от отделни единици, обхващащи множество пространствени и функционални региони.

Като се има предвид критичната роля на гръбначния мозък в сензомоторната интеграция (в общи линии) и рефлексите (по-специално), ние разсъждавахме, че спонтанната функционална свързаност между невроните в сензорно-доминиращите и моторно-доминиращите области на сивото вещество би била предпоставка за функционална мрежова активност по време на безсъзнание, независимо от неговата функция. И поради причините, отбелязани по-горе, такова откритие би имало важни последици както за физиологичните, така и за патофизиологичните състояния. Няколко основни въпроса обаче остават нерешени. Тук се обръщаме към три. Първо, очевидна ли е функционална свързаност на ниво неврон в областите на сивото вещество на гръбначния стълб, които традиционно не се свързват с първичен аферентен приток? Второ, очевидна ли е спонтанна функционална свързаност между сензорните и двигателните области на сивото вещество? И трето, дали делът на спонтанно активните неврони, показващи корелиран разряд, както и тяхната топология, се отклоняват от това, което би се очаквало сред взаимосвързана популация от статистически подобни неврони, работещи некооперативно (т.е. произволно)?

Ние се занимавахме с тези въпроси in vivo при плъхове, записвайки големи популации от единични единици в дорсовентралната степен на лумбалното разширение. Откриваме, че силната спонтанна невронна активност е преобладаваща в сивото вещество по време на безсъзнание и че невроните в сензорните и двигателните региони показват значителни, неслучайни корелации в техните пространствено-времеви модели на разреждане. Откриваме също така значителна част от латентностите на връзката, съвместими с моно- и дисинаптичните взаимодействия, предлагайки улики за възможен механизъм, чрез който присъщата мрежова активност може директно да оформи синаптичната пластичност.


Всичко, което трябва да знаете за невроните

Невроните са отговорни за пренасянето на информация в човешкото тяло. Използвайки електрически и химически сигнали, те помагат за координирането на всички необходими функции на живота. В тази статия обясняваме какво представляват невроните и как работят.

Накратко, нашата нервна система открива какво се случва около нас и вътре в нас решава как да действаме, променя състоянието на вътрешните органи (промени в сърдечния ритъм, например) и ни позволява да мислим и запомняме какво се случва. На. За да направи това, той разчита на сложна мрежа - неврони.

Изчислено е, че има около 86 милиарда неврона в мозъка, за да достигне тази огромна цел, развиващият се плод трябва да създаде около 250 000 неврона в минута.

Всеки неврон е свързан с още 1000 неврона, създавайки невероятно сложна комуникационна мрежа. Невроните се считат за основни звена на нервната система.

Невроните, понякога наричани нервни клетки, съставляват около 10 процента от мозъка, останалата част се състои от глиални клетки и астроцити, които поддържат и подхранват невроните.

Невроните могат да се видят само с микроскоп и могат да бъдат разделени на три части:

Сома (клетъчно тяло) — тази част от неврона получава информация. Съдържа клетъчното ядро.

Дендрити — тези тънки нишки пренасят информация от други неврони към сомата. Те са „входната“ част на клетката.

Аксон — тази дълга проекция носи информация от сомата и я изпраща до други клетки. Това е "изходната" част на клетката.Обикновено завършва с редица синапси, свързващи се с дендритите на други неврони.

Както дендритите, така и аксоните понякога се наричат ​​нервни влакна.

Аксоните се различават много по дължина. Някои могат да бъдат малки, докато други могат да бъдат дълги над 1 метър. Най-дългият аксон се нарича ганглий на гръбначния корен (DRG), група от тела на нервни клетки, която пренася информация от кожата към мозъка. Някои от аксоните в DRG пътуват от пръстите на краката до мозъчния ствол - до 2 метра при висок човек.

Невроните могат да бъдат разделени на типове по различни начини, например чрез връзка или функция.

Връзка

Еферентни неврони — те приемат съобщения от централната нервна система (мозък и гръбначен мозък) и ги доставят до клетките в други части на тялото.

Аферентни неврони — приемайте съобщения от останалата част на тялото и ги предавайте на централната нервна система (ЦНС).

Интерневрони — тези ретранслирани съобщения между невроните в ЦНС.

Функция

Сензорна — пренасят сигнали от сетивата към ЦНС.

Реле — пренасят сигнали от едно място на друго в рамките на ЦНС.

Мотор — пренасят сигнали от ЦНС към мускулите.

Ако невронът получава голям брой входове от други неврони, тези сигнали се сумират, докато не надхвърлят определен праг.

След като този праг бъде надвишен, невронът се задейства да изпрати импулс по своя аксон - това се нарича потенциал на действие.

Потенциал за действие се създава от движението на електрически заредени атоми (йони) през мембраната на аксона.

Невроните в покой са по-отрицателно заредени от течността, която ги заобикаля, това се нарича мембранен потенциал. Обикновено е -70 миливолта (mV).

Когато клетъчното тяло на нерва получи достатъчно сигнали, за да го задейства, част от аксона, най-близо до клетъчното тяло, се деполяризира - мембранният потенциал бързо се повишава и след това пада (за около 1000-та от секундата). Тази промяна предизвиква деполяризация в участъка на аксона до него и така нататък, докато издигането и падането на заряда преминат по цялата дължина на аксона.

След като всеки участък се задейства, той навлиза в кратко състояние на хиперполяризация, където прагът му се понижава, което означава, че е по-малко вероятно да се задейства отново веднага.

Най-често калиеви (K + ) и натриеви (Na + ) йони генерират акционния потенциал. Йоните се движат навътре и извън аксоните чрез йонни канали и помпи, зависими от напрежението.

Това е процесът накратко:

  1. Na+ каналите се отварят, позволявайки на Na+ да се влее в клетката, което я прави по-положителна.
  2. След като клетката достигне определен заряд, K + каналите се отварят, позволявайки на K + да изтича от клетката.
  3. След това Na+ каналите се затварят, но K+ каналите остават отворени, позволявайки на положителния заряд да напусне клетката. Мембранният потенциал пада.
  4. Тъй като мембранният потенциал се връща в състояние на покой, K + каналите се затварят.
  5. И накрая, натриево-калиевата помпа транспортира Na+ от клетката и K+ обратно в клетката, готова за следващия потенциал на действие.

Потенциалите за действие се описват като „всичко или нищо“, тъй като те винаги са с еднакъв размер. Силата на стимула се предава с помощта на честота. Например, ако стимулът е слаб, невронът ще се задейства по-рядко, а за силен сигнал той ще се задейства по-често.

Миелин

Повечето аксони са покрити с бяла восъчна субстанция, наречена миелин.

Това покритие изолира нервите и увеличава скоростта, с която преминават импулсите.

Миелинът се създава от Schwann клетки в периферната нервна система и олигодендроцити в ЦНС.

Има малки празнини в миелиновото покритие, наречени възли на Ранвие. Потенциалът за действие скача от празнина в процеп, което позволява на сигнала да се движи много по-бързо.


Решението за преместване: време за реакция, невронни вериги и сензорна памет в обикновено гръбначно

Всички животни използват сензорни системи за наблюдение на външни събития и трябва да решат дали да се движат. Времето за реакция е дълго и променливо в сравнение с рефлексите и бързите движения за бягство. Сложността на мозъка на възрастните гръбначни животни затруднява проследяването на невронните вериги, които са в основата на основните решения за движение. За да опростим проблема, ние изследваме нервната система и реакциите на излюпващите се попови лъжички жаби, които плуват, когато кожата им е стимулирана. Изучаването на пътя неврон по неврон от сензорните към задните мозъчни неврони, където се взема решението за плуване, разкри два прости пътя, генериращи възбуждане, което достига до прага в тези неврони, за да започне плуване. Директният път води до кратки и надеждни закъснения като реакция за бягство. Другият включва популация от неврони за сензорна обработка, които разширяват стрелбата, за да внесат шум и забавяне в отговорите. Тези неврони осигуряват кратка, сензорна памет за стимула, която позволява на поповите лъжички да интегрират стимули, възникващи в рамките на една секунда един от друг. Ние свързваме тези открития с други проучвания и заключаваме, че сензорната памет има основен принос за прости решения и присъства в мозъчния ствол на основно гръбначно на изненадващо ранен етап от развитието.

1. Въведение

В спринтовите състезания на 100 м мъжете отнемат 120–165 ms, за да започнат да се движат [1]. Такива времена на реакция (RTs) очароваха експерименталните психолози, тъй като Хелмхолц [2] описа методи за измерването им. Координираните движения, като движения на очите към нова цел, започват след променливи закъснения от 50–200 ms [3]. Защо тези реакции са бавни и променливи, когато рефлекторните движения и бързите реакции на бягство на животни като калмари, раци и риби имат кратки и постоянни RT (по-малко от 20 ms) [4–6]?

Изследванията на RT са фокусирани върху движенията на очите на хора и други бозайници, особено маймуни, и върху сложните невронни вериги в префронталната моторна мозъчна кора, които ги контролират [7–9]. В най-простите експерименти субектите гледат светло място и се изисква да преместят погледа си към друго светло място, когато то се включи. Записите на невронната активност при бозайници показват, че сензорната информация пътува от очите до мозъчната кора, където влияе върху продължаващото задействане на невроните. Когато светлината мига за кратко, е необходима „сензорна памет“ на стимула и това също е изследвано предимно в мозъчната кора. Паметта трае само около секунда и се предлага да се основава на взаимно повторно възбуждане в рамките на малки популации от неврони [10–12]. По време на подготовката за решението за преместване на очите, записи в префронталния кортекс на приматите и плъховете показват, че стимулът води до бавно и шумно натрупване на честота на изстрелване. При някои неврони пиковите скорости на задействане корелират с решението за движение.

Много теории, лежащи в основата на решенията за преместване на очите, предполагат, че възбуждащ „сигнал за решение“ се надгражда шумно до праг в кортикалните неврони и когато това бъде достигнато, движението се случва (фигура 1а) [3,13–15]. Променливостта в RTs е резултат от шума в решението. Сложността на кората прави вериги неврон по неврон и синаптичните свойства на вземането на решения невъзможни за дефиниране. Освен това предимствата от забавянето на решенията за преместване са неясни. Позволяват ли да се вземат предвид други стимули и централни състояния, преди да се направи отговор?

Фигура 1. Проста теория за кортикални вериги за вземане на решения и реакции на попова лъжичка на кратък кожен стимул. (а) Диаграма за илюстриране на обща теория за генериране на променливо закъснение (базирано на [3]). (б) Почиващо излюпено Ксенопус попова лъжичка, дълга 5 мм, виси от слуз, отделяна от нейната циментова жлеза (стрелка). (° С) Видео кадри на попови лъжички (гръбна гледка), огъване (върх на стрелата), след това плуване след текущ импулс към десния ствол (*). (д,д) RTs към първата флексия на плуването и първата двигателна нервна активност на фиктивното плуване в имобилизирани попови лъжички. (Онлайн версия в цвят.)

Анализът на по-прости невронни вериги трябва да помогне да се разберат подробностите за това как невронните вериги контролират инициирането на координирани двигателни реакции към сензорен стимул. Отчайващо е, че единствените случаи, в които е проследен неврон по неврон път от сензорен стимул до отговор, са тези за бързите движения за бягство, контролирани от гигантски неврони в раци [5,16] и в риби [17]. Това е следствие от лекотата на изследване на гигантските неврони и трудностите, наложени от малкия размер на повечето неврони.

2. Защо да използваме попови лъжички за изследване на инициирането на движенията?

Ларвните риби и земноводните предоставят полезни модели за изучаване на основите на нервното развитие, организация и функция на гръбначните животни [18,19]. Изследвахме невроните и мрежите, които позволяват излюпването Xenopus laevis попови лъжички (фигура 1б) да се държи и оцелява [20–22]. Това доведе до някои изненадващи нови открития за организацията на сензорните системи, сензорната памет и невроните, където се вземат решенията за движение [23–25].

Както при възрастни животни, RTs на попова лъжичка за плуване след кожно стимулиране са дълги и променливи. Ако се докоснат от едната страна на багажника с фина коса, поповите лъжички се огъват непредвидимо наляво или надясно и след това изплуват [26]. RTs за плуване след кратък токов импулс (фигура 1° С) са дълги и променливи (медиана 102 ms, интерквартилен диапазон 81–136 ms, фигура 1д [25]).

Поповите лъжички също трябва да решат коя страна ще се огъне първа. Проучихме това чрез обездвижване на попови лъжички, така че да могат да се правят записи от двигателни нерви и един или два отделни неврона в гръбначния и главния мозък. Когато на кожата от едната страна на главата се даде импулс на тока близо до прага, първият избухване на двигателен нерв има приблизително 0,5 вероятност да бъде от стимулираната или нестимулирана страна (фигура 1д [24]). Времената на реакция са по-кратки от поведенческите реакции, но все още са дълги и променливи (стимулирани странични стартове: медиана 25 ms, диапазон 15–87 нестимулирани странични старти: медиана 35 ms, диапазон 20–71) в сравнение с рефлексите (по-малко от 10 ms [27] ). Когато кожата на ствола е стимулирана, средното забавяне до първото изстрелване на двигателен нерв от нестимулираната страна е 40 ms (междуквартилен диапазон 33–61 [25]). В този преглед ние обсъждаме къде и как възникват закъсненията и техните вариации при решението на поповата лъжица да плува.

3. Преглед на сензорния път на иницииране в плуване на кожата на попова лъжичка

Сетивните неврони на докосването за кожата на главата лежат в тригеминалните ганглии и за кожата на багажника в гръбначния мозък [29,30]. Единичен потенциал на действие (AP) в един или два сензорни неврона може да инициира плуване. Техните периферни аксони пренасят AP в централната нервна система, където техните централни аксони проектират да разпределят възбуждането надлъжно.

Невроните на сензорния път се възбуждат от сензорни неврони и разпространяват сензорни сигнали към двете страни на мозъка [23,30]. Единичните сензорни неврони възбуждат много неврони на сензорния път и по този начин сензорният сигнал се усилва [27]. Невроните на тригеминалния сензорен път се възбуждат само от кожни стимули на главата и правят директни връзки с ретикулоспинални неврони от ниво 4 [23].

Невроните за сензорна обработка са ново и важно предложение за пътя на започване на движение [25]. Предварителните доказателства и дефиницията на тези неврони предполагат, че те разширяват стрелбата (вероятно чрез взаимно повторно възбуждане) и въвеждат шум и променливост. Те трансформират краткото или почти синхронно задействане в невроните на сензорния път (по-малко от 30 ms) в по-дълготрайно и променливо задействане (приблизително 1000 ms), което е различно във всеки неврон от тяхната популация. Те се възбуждат от невроните на сензорния път и възбуждат ретикулоспиналните неврони. Тяхното изстрелване действа като сензорна памет за всеки кратък сензорен стимул към кожата.

Ретикулоспиналните неврони лежат в задния мозък и се проектират към гръбначния мозък. Те сумират входа от различни сензорни пътища и модалности, като докосване на кожата и светлина [31]. Именно тук възбуждането от невроните на сензорната обработка се натрупва шумно и може да достигне прага на запалване. Именно тези ретикулоспинални неврони ефективно вземат решението за плуване, защото, когато се задействат, мотоневроните се активират и инициират първата флексия на плуването. По време на плуване те генерират ритъма, като стрелят веднъж на всеки цикъл.

Мотоневроните и реципрочните инхибиторни неврони се възбуждат силно от ретикулоспиналните неврони, така че те се задействат веднъж при всеки цикъл на плуване [32]. Изстрелването на мотоневрон води до мускулно свиване и огъване на тялото. Редуването на стрелба е организирано чрез реципрочно инхибиране [33], подсилено от постинхибиторно отскок, организирано от същото реципрочно инхибиране [21,34]. Резултатът е редуващи се вълни на свиване и плуване.

Фигура 2. Организация на невронни пътища от стимулиране на кожата на главата и ствола до плуване в попова лъжичка на излюпената жаба. Кутиите представляват популации от подобни възбуждащи неврони в петте функционални нива между кожен стимул и двигателен отговор. Стрелките показват директни възбуждащи синаптични връзки, установени чрез запис от пре- и постсинаптични неврони. Пунктираните полета и стрелките са популации и връзки, предложени за обяснение на текущите доказателства. За простота, пътищата са показани само за едната страна на тялото и инхибиторните неврони са пропуснати. Буквите близо до кутиите са съкращенията на имената на невроните, които съдържат. (Онлайн версия в цвят.)

4. Доказателство за работата на сензорната система за докосване на попова лъжичка

Сетивните неврони инервират кожата при всички гръбначни животни с фини неспециализирани „свободни“ нервни окончания, които обвиват кожните клетки. Сетивните неврони на попова лъжица (tSt) за кожата на главата лежат в тригеминалните ганглии и техните централни аксони достигат до мозъка в петия черепен нерв [29]. Кожата на багажника има подобни окончания, идващи от сензорните неврони на Rohon-Beard (RB) в гръбначния мозък [30,35]. Записите от сензорни неврони показват, че те изстрелват един до три пика, когато са стимулирани в своето възприемчиво поле.

Невроните на гръбначния сензорен път се възбуждат от синапси от надлъжните аксони на кожните сензорни неврони. В гръбначния мозък, записи от двойки неврони показват, че RB невроните директно и силно възбуждат два вида неврон на сензорния път (фигура 3а [27,36,37]). Тези дорзолатерални комисурални (dlc) и възходящи (dla) неврони се задействат само за кратко.

Фигура 3. Записите показват активността и връзките на невроните в пътя на реакция на плуване: (а) инжектирането на ток в сензорен RB неврон води до потенциал за действие (*) и директно възбуждане на dlc неврон на сензорния път (възбуждащ постсинаптичен потенциал (EPSP) започва от стрелката), което след това предизвиква потенциал за действие в dlc (*) . (б, в) Сдвоени записи, показващи реакции на 1 ms ток на кожата на главата, който предизвиква плуване. (б) Сетивният път tIN отговаря с единичен пик. Възбуждането от този и други tIN пикове възбужда hdIN от същата страна, който плавно се деполяризира до праг (пунктирана стрелка) и изстрелва пик. (° С) Рострален dlc от дясната страна също изстрелва единичен пик, но това не може да обясни бавното, шумно натрупване на възбуждане (върхове на стрелки) до прага (пунктирана стрелка) и изстрелване в hdIN от противоположната страна. (г–е) Стимулирането на кожата на багажника също води до променливо възбуждане на hdIN. (д) По-силен стимул води до два скока (върхове на стрелки) в hdIN, които достигат прага (стрелка) и стрелбата е последвана от ритмично стрелба по време на плуване. (д) Два примера за подпраг на отговори за плуване показват шумно възбуждане (върхове на стрелки), сумиране, но не достигане на прага на изстрелване. (е) Дългата продължителност на подпрагово възбуждане в hdINs се разкрива чрез осредняване на пет записа в по-бавна времева скала. (ж) Два примера за реакции на възможен неврон за сензорна обработка (exN) в задния мозък към кожен стимул на багажника (в стрелката). Всеки запис показва ранен пик и променливо по-късно изстрелване. (Онлайн версия в цвят.)

Невроните на тригеминалния сензорен път (tINs) образуват малко тригеминално ядро ​​от около 25 неврона от всяка страна на задния мозък и имат низходящ аксон [23]. Сетивните неврони на кожата на главата директно възбуждат tINs и повече неврони на сетивния път на гръбначния стълб (rdlcs [24]).

Неврони на сензорния път: разпределят сигнали от сензорните неврони на кожата към мишените от двете страни на мозъка, усилват сензорните сигнали, така че един или два пика в няколко сензорни неврона предизвикват единичен скок в много неврони на пътя (броят на задействане може да зависи от броя на сензорните неврони, които задействат и грубо кодират силата на стимула) поставят ограничение на възбуждането, достигащо до мозъка, тъй като има фиксиран брой от тях.

5. Доказателство за активиране на системата за управление на плуването

Смята се, че движенията на тялото и крайниците при гръбначните животни се контролират от ретикулоспинални неврони в задния мозък, които се проектират към гръбначния мозък [38–42]. Плуването на попова лъжица започва, когато популация от ретикулоспинални неврони на задния мозък (hdINs) стане активна [20,23,24,32]. Тези неврони са електрически свързани [43], така че когато няколко запалят, цялото население от едната страна се набира и всички те се задействат веднъж в синхрон [44]. След това те играят критична роля в управлението на плуването [21,45]. Освен възбуждащите мотоневрони и други гръбначни неврони, тези електрически свързани неврони се възбуждат химически един друг чрез освобождаване на глутамат [32]. Взаимно собствено активиране н-метил-d-аспартатните рецептори включват свойствата на пейсмейкъра, който поддържа тяхното собствено редовно, ритмично задействане и плуване [44,46–48].

Ето защо беше изненадващо, когато записи от тези ретикулоспинални hdINs показаха, че единствените неврони на сензорния път, които правят силна и директна синаптична връзка с тях, са tINs на задния мозък, възбудени от стимулация на кожата на главата (фигура 3б). Този път може да предизвика hdIN изстрелване и плуване, започващо от стимулираната страна при относително кратки латентности (hdINs: средно забавяне от 12 ms двигателен нерв: медиана 25 ms [24]). Доколкото ни е известно, това е първият прост, негигантски невронен път за иницииране на движение, дефиниран при гръбначните животни.

Как стимул от едната страна води до плуване, започващо от противоположната страна? dlc невроните на гръбначния сензорен път пренасят възбуждане към противоположната страна, когато кожата на главата или тялото се стимулира. Изненадващо, записите от тези неврони и hdIN от противоположната страна не показват директно възбуждане с кратка латентност (фигура 3° С [24]), но разкри много променлив модел на по-дълго латентно възбуждане [25]. Това може да се натрупа с течение на времето, за да достигне прага на hdIN, така че те стреляха при дълги и променливи латентности (фигура 3в, г медиана 57 ms). RTs на първото изстрелване на hdIN съпоставиха закъсненията с началото на плуването в записи на двигателните нерви (фигура 1д).

Какви са характеристиките на променливия модел на възбуждане, регистриран в ретикулоспиналните DIN след кратък кожен стимул? Дори когато стимулът е бил твърде слаб, за да предизвика плуване, hdINs от всяка страна на тялото получават дълготрайно възбуждане с ясни възбуждащи постсинаптични потенциали (EPSPs), възникващи в продължение на много стотици милисекунди след стимула (фигура 3д, е) [25].Трудно е да се види как този модел на EPSP може да бъде произведен директно от краткия взрив от шипове, изстреляни рано от dlc невроните на сензорния път. EPSP трябва да се генерират от неидентифицирани неврони, които се задействат нередовно за известно време след кожна стимулация. Получихме информация за времето на APs в тези неидентифицирани неврони чрез измерване на времето на EPSPs, които те предизвикват в hdINs след кожна стимулация (фигура 3д). Новото заключение беше, че невроните на сензорния път трябва да възбуждат неопределени популации от неврони за сензорна обработка от всяка страна на мозъка, чиято функция е да удължат сетивното изстрелване за около 1 s, да действат като сензорна памет за кратки стимули и да произвеждат променливо възбуждане на hdINs. да започне плуване. Ние ги наричаме екстензивни неврони (exNs) и имаме кандидат-записи на неврони на задния мозък с подходящо продължително и променливо изстрелване към кожна стимулация (фигура 3ж).

6. Модел на сензорна памет за разширяване на краткото сензорно задействане

Как би могло да се разшири изстрелването и възбуждането на неврони на сензорния път чрез сензорна обработка на exN неврони в задния мозък? Едно просто предложение е, че exN невроните се възбуждат един друг, за да образуват малка повтаряща се мрежа и да поддържат собствената си активност за кратко време [10]. За да тестваме тази идея, изградихме мрежа от 30 модела exN неврони, възбудени от кратко възбуждане от dlc неврони на сензорния път. ExNs бяха свързани към модел hdIN [48] за наблюдение на синаптичното възбуждане, което произвеждат. С променливостта в синаптичната сила на всички възбуждащи синапси в мрежата (максимална проводимост на всеки синапс, мащабирана от произволно избрана стойност: 0,8, 0,6, 0,4, 0,2 или 0), променливите модели на генерираното от него exN задействане могат да бъдат качествено съпоставени с данните за времето на EPSP в hdIN. Тези резултати показват, че е лесно да се удължи изстрелването в малка моделна мрежа от неспециализирани неврони, ако има променливо и слабо повтарящо се възбуждане сред тях дори без никакво инхибиране [25]. Ако такава мрежа е била свързана към hdINs в моделна плувна мрежа, тя трябва да започне да плува след променливи и непредвидими закъснения.

7. Дискусия

Всички животни трябва да вземат решения дали да реагират на сензорни стимули. Изучаването на по-прости животни може да разкрие подробните невронни пътища за вземане на решения за започване на прости движения, като плуване [28]. При отговорите на бягство на раци и риби, сензорните неврони възбуждат гигантски неврони, като ги довеждат бързо до прага на изстрелване. Те изстрелват единичен шип и първото огъване при плуване се инициира с кратка и постоянна латентност от директното възбуждане на мотоневрони [16,17].

При излюпващите се попови лъжички проследяването на невронния път от кратко докосване на кожата до започване на плуване разкрива два начина, по които популации от негигантски ретикулоспинални неврони (hdINs) могат да контролират първото огъване на плуването (фигура 2). По-силната стимулация на кожата на главата възбужда tIN невроните от същата страна на задния мозък [23] и те директно възбуждат hdIN популацията и плуването следва при сравнително кратки и постоянни латентности [24]. Този път осигурява прост и директен начин за започване на движение. По-слабите стимули към главата или багажника разкриват неочаквана сложност. Вместо прост рефлекс-подобен път, ние предлагаме малки популации от неврони за сензорна обработка (exNs) в задния мозък да се възбуждат от неврони на сензорния път и да удължат изстрелването за приблизително 1 s (вижте фигура 2 ниво 3 [25]). Този процес може да въведе шум в сензорния сигнал в мозъка и след това да осигури продължително възбуждане на ретикулоспиналните hdIN, за да ги доведе до прага на изстрелване, така че плуването започва след променливи закъснения от двете страни на тялото. Следователно exNs комбинират две функции: те държат приблизително 1 s сензорна памет за скорошни стимули и генерират шумен „сигнал за решение“ към hdIN на мозъчния ствол. Изстрелването на hdIN е „решението“, което инициира първата флексия на плуването след променливи закъснения.

8. Какво е значението на разширяването на сензорното възбуждане и вмъкването на забавяне и шум в пътя на започване на движение?

Интегрирането на сензорните входове става възможно благодарение на дълготрайното възбуждане exNs, произвеждано в ретикулоспиналните hdIN. Ако първоначалният стимул не доведе до двигателен отговор, тогава това възбуждане остава налично и може да се сумира с възбуждане от последващи стимули до същото място (времево сумиране) или до други части на тялото (пространствено сумиране). В допълнение, други сензорни модалности като водни течения [49] и затъмняване на светлината [31] могат да инициират плуване. Разширеното възбуждане в hdIN действа като сензорна памет и може да се сумира с други сензорни входове, ако се появят в рамките на времевия прозорец от 1 s. Следователно невроните с удължено възбуждане могат да действат като интегратори, така че отговорите се „разглеждат“ в контекста на всички стимули, достигащи до животното.

Двигателната координация е от съществено значение за производството на ефективни движения. Когато е стимулирана, поповата лъжица трябва да реши дали да направи първата флексия на тялото при плуване и коя страна се огъва първа. Това е много организиран процес в отговор на стимулиране на кожата на главата [24]. Задействането на hdIN от всяка страна попада в дискретни редуващи се времеви прозорци, така че се избягва синхронното задействане на двете страни. Много вероятно е реципрочното инхибиране да е важно тук [33,50]. Въпреки това, в Ксенопус имобилизирани препарати може да възникне синхронно изстрелване от двете страни [51,52] както при прости моделни мрежи с реципрочно инхибиране [34,53]. Забавянето на възбуждането на hdIN и правенето му на шум вероятно намалява шанса hdIN да достигнат прага на задействане едновременно от двете страни, като по този начин намалява вероятността от синхронно задействане.

Въвеждането на променливост в отговорите може да направи отговорите по-малко предвидими и да помогне на животните да избегнат хищничество [54]. Бавно нарастващото възбуждане в hdINs след кожно стимулиране въвежда променливост в: закъснението преди hdIN да достигнат своя праг на запалване и плуването започва страната, която задейства първа към нежно стимулиране и посоката на плуване. Има едно изключение от тази обща картина. По-силните стимули към кожата на главата водят до кратка латентност и предсказуема флексия към стимулираната страна [24] и биологичното значение на това поведение не е ясно.

9. Преглед на едно просто решение за преместване

Може ли да се дефинира пълният път от неврон до неврон от сензорен стимул до координиран двигателен отговор? В момента единствените примери са специализираните за бързи отговори [16,17,23]. Латенциите за повечето кожни стимули при поповите лъжички са дълги и променливи, като движенията на очите и други координирани двигателни реакции при възрастни животни [3]. Нашите нови доказателства за започване на плуване с попови лъжички все още са непълни, но имат изненадващо нов етап на сензорна обработка (фигура 2). Предлагаме невроните на този етап да се разширяват и добавят шум към сигнала, достигащ до ретикулоспиналните неврони на мозъчния ствол, които задвижват плуването. Доказателствата подкрепят основните предложения от проучвания върху движенията на очите, където променливото възбуждане води до дълги и променливи RT. Доказателството, че някои неврони на задния мозък произвеждат променливо възбуждане, е силно, но характеристиката на участващите неврони в момента е слаба. Нашето очакване е, че невроните, изпълняващи тази функция за разширение или сензорна памет, ще бъдат основен компонент на пътищата за започване на движение при повечето животни. Забавянето на реакциите позволява на животните да интегрират множество сензорни входове и да правят „обмислени“, а не „прибързани“ отговори!


Гледай видеото: АМК пита: Могат ли козметици да поставят законно филъри? (Август 2022).