Что называется синапсом: работа синапсов — все самое интересное на ПостНауке

Содержание

Синапс — это… Что такое Синапс?

Основные элементы синапса

Си́напс^[1] (греч. σύναψις, от συνάπτειν — обнимать, обхватывать, пожимать руку) — место контакта между двумя нейронами или между нейроном и получающей сигнал эффекторной клеткой. Служит для передачи нервного импульса между двумя клетками, причём в ходе синаптической передачи амплитуда и частота сигнала могут регулироваться.

Термин был введён в 1897 г. английским физиологом Чарльзом Шеррингтоном.

Структура синапса

Типичный синапс — аксо-дендритический химический. Такой синапс состоит из двух частей: пресинаптической, образованной булавовидным расширением окончанием аксона передающей клетки и постсинаптической, представленной контактирующим участком цитолеммы воспринимающей клетки (в данном случае — участком дендрита). Синапс представляет собой пространство, разделяющее мембраны контактирующих клеток, к которым подходят нервные окончания. Передача импульсов осуществляется химическим путём с помощью медиаторов или электрическим путём посредством прохождения ионов из одной клетки в другую.

Между обеими частями имеется синаптическая щель — промежуток шириной 10—50 нм между постсинаптической и пресинаптической мембранами, края которой укреплены межклеточными контактами.

Часть аксолеммы булавовидного расширения, прилежащая к синаптической щели, называется пресинаптической мембраной. Участок цитолеммы воспринимающей клетки, ограничивающий синаптическую щель с противоположной стороны, называется постсинаптической мембраной, в химических синапсах она рельефна и содержит многочисленные рецепторы.

В синаптическом расширении имеются мелкие везикулы, так называемые синаптические пузырьки, содержащие либо медиатор (вещество-посредник в передаче возбуждения), либо фермент, разрушающий этот медиатор. На постсинаптической, а часто и на пресинаптической мембранах присутствуют рецепторы к тому или иному медиатору.

Классификации синапсов

В зависимости от механизма передачи нервного импульса различают

химические;
электрические — клетки соединяются высокопроницаемыми контактами с помощью особых коннексонов (каждый коннексон состоит из шести белковых субъединиц). Расстояние между мембранами клетки в электрическом синапсе — 3,5 нм (обычное межклеточное — 20 нм)

Так как сопротивление внеклеточной жидкости мало(в данном случае), импульсы проходят не задерживаясь через синапс. Электрические синапсы обычно бывают возбуждающими.

Для нервной системы млекопитающих электрические синапсы менее характерны, чем химические.

смешанные синапсы: Пресинаптический потенциал действия создает ток, который деполяризует постсинаптическую мембрану типичного химического синапса, где пре- и постсинаптические мембраны не плотно прилегают друг к другу. Таким образом, в этих синапсах химическая передача служит необходимым усиливающим механизмом.

Наиболее распространены химические синапсы.

Химические синапсы можно классифицировать по их местоположению и принадлежности соответствующим структурам:

периферические
центральные
- аксо-дендритические — с дендритами, в т. ч.
- аксо-соматические — с телами нейронов;
- аксо-аксональные — между аксонами;
- дендро-дендритические — между дендритами;

В зависимости от медиатора синапсы разделяются на

При этом в синапсе не всегда вырабатывается только один медиатор. Обычно основной медиатор выбрасывается вместе с другим, играющим роль модулятора.

По знаку действия:

возбуждающие
тормозные.

Если первые способствуют возникновению возбуждения в постсинаптической клетке (в них в результате поступления импульса происходит деполяризация мембраны, которая может вызвать потенциал действия при определённых условиях.), то вторые, напротив, прекращают или предотвращают его появление, препятствуют дальнейшему распространению импульса. Обычно тормозными являются глицинергические (медиатор — глицин) и ГАМК-ергические синапсы (медиатор — гамма-аминомасляная кислота).

Тормозные синапсы бывают двух видов: 1) синапс, в пресинаптических окончаниях которого выделяется медиатор, гиперполяризующий постсинаптическую мембрану и вызывающий возникновение тормозного постсинаптического потенциала; 2) аксо-аксональный синапс, обеспечивающий пресинаптическое торможение. Синапс холинергический (s. cholinergica) — синапс, медиатором в котором является ацетилхолин.

В некоторых синапсах присутствует

постсинаптическое уплотнение — электронно-плотная зона, состоящая из белков. По её наличию или отсутствию выделяют синапсы асимметричные и симметричные. Известно, что все глутаматергические синапсы асимметричны, а ГАМКергические — симметричны.

В случаях, когда с постсинаптической мембраной контактирует несколько синаптических расширений, образуются множественные синапсы.

К специальным формам синапсов относятся шипиковые аппараты, в которых с синаптическим расширением контактируют короткие одиночные или множественные выпячивания постсинаптической мембраны дендрита. Шипиковые аппараты значительно увеличивают количество синаптических контактов на нейроне и, следовательно, количество перерабатываемой информации. «Не-шипиковые» синапсы называются «сидячими». Например, сидячими являются все ГАМК-ергические синапсы.

Механизм функционирования химического синапса

При деполяризации пресинаптической терминали открываются потенциал-чувствительные кальциевые каналы, ионы кальция входят в пресинаптическую терминаль и запускают механизм слияния синаптических пузырьков с мембраной. В результате медиатор выходит в синаптическую щель и присоединяется к белкам-рецепторам постсинаптической мембраны, которые делятся на метаботропные и ионотропные. Первые связаны с G-белком и запускают каскад реакций внутриклеточной передачи сигнала. Вторые связаны с ионными каналами, которые открываются при связывании с ними нейромедиатора, что приводит к изменению мембранного потенциала. Медиатор действует в течение очень короткого времени, после чего разрушается специфическим ферментом. Например, в холинэргических синапсах фермент, разрушающий медиатор в синаптической щели — ацетилхолинэстераза. Одновременно часть медиатора может перемещаться с помощью белков-переносчиков через постсинаптическую мембрану (прямой захват) и в обратном направлении через пресинаптическую мембрану (обратный захват). В ряде случаев медиатор также поглощается соседними клетками нейроглии.

Открыты два механизма высвобождения: с полным слиянием везикулы с плазмалеммой и так называемый «поцеловал и убежал» (англ. kiss-and-run

), когда везикула соединяется с мембраной, и из неё в синаптическую щель выходят небольшие молекулы, а крупные остаются в везикуле. Второй механизм, предположительно, быстрее первого, с помощью него происходит синаптическая передача при высоком содержании ионов кальция в синаптической бляшке.

Следствием такой структуры синапса является одностороннее проведение нервного импульса. Существует так называемая синаптическая задержка — время, нужное для передачи нервного импульса. Её длительность составляет около — 0,5 мс.

Так называемый «принцип Дейла» (один нейрон — один медиатор) признан ошибочным. Или, как иногда считают, он уточнён: из одного окончания клетки может выделяться не один, а несколько медиаторов, причём их набор постоянен для данной клетки.

История открытия

В 1897 году Шеррингтон сформулировал представление о синапсах.
За исследования нервной системы, в том числе синаптической передачи, в 1906 году Нобелевскую премию получили Гольджи и Рамон-и-Кахаль.
В 1921 австрийский учёный О. Лёви (О. Loewi) установил химическую природу передачи возбуждения через синапсы и роль в ней ацетилхолина. Получил Нобелевскую премию в 1936 г. совместно с Г. Дейлом (Н. Dale).
В 1933 советский учёный А. В. Кибяков установил роль адреналина в синаптической передаче.
1970 — Б. Кац (В. Katz, Великобритания), У. фон Эйлер (U. v. Euler, Швеция) и Дж. Аксельрод (J. Axelrod, США) получили Нобелевскую премию за открытие роли норадреналина в синаптической передаче.

Ссылки

Савельев А. В. Методология синаптической самоорганизации и проблема дистальных синапсов нейронов // Журнал проблем эволюции открытых систем. — Казахстан, Алматы, 2006. — Т. 8. — № 2. — С. 96—104.
Экклз Д.К. Физиология синапсов. — М.: Мир, 1966. — 397 с.

Примечания

См. также

Гистология: Нервная ткань
Нейроны (Серое вещество)	Сома · Аксон (Аксонный холмик, Терминаль аксона, Аксоплазма, Аксолемма, Нейрофиламенты) Дендрит (Вещество Ниссля, Дендритный шипик, Апикальный дендрит, Базальный дендрит) типы: Биполярные нейроны · Псевдополярные нейроны · Мультиполярные нейроны · Пирамидальный нейрон · Клетка Пуркинье · Гранулярная клетка
Афферентный нерв/ Сенсорный нерв/ Сенсорный нейрон	GSA · GVA · SSA · SVA · Нервные волокна (Мышечные веретёна (Ia), Нервно-сухожильное веретено, II or Aβ, Aδ-волокна, C-волокна)
Эфферентный нерв/ Моторный нерв/ Моторный нейрон	GSE · GVE · SVE · Верхний моторный нейрон · Нижний моторный нейрон (α мотонейроны, γ мотонейроны)
Синапс	Нейропиль · Синаптический пузырек · Нервно-мышечный синапс · Электрический синапс · Химический синапс · Интернейрон (Клетки Реншоу)
Сенсорный рецептор	Чувствительное тельце Мейснера · Нервное окончание Меркеля · Тельца Пачини · Окончание Руффини · Нервномышечное веретено · Свободное нервное окончание · Обонятельный нейрон · Фоторецепторные клетки · Волосковые клетки · Вкусовая луковица
Нейроглия	Астроциты (Радиальная глия) · Олигодендроглиоциты · Клетки эпендимы (Танициты) · Микроглия
Миелин (Белое вещество)	CNS: Олигодендроцит PNS: Клетки Шванна · Невролемма · Перехват Ранвье/Межузловой сегмент · Насечка миелина
Соединительная ткань	Эпиневрий · Периневрий · Эндоневрий · Нервные пучки · Мозговые оболочки: твёрдая, паутинная, мягкая

Синапс — это… Что такое Синапс?

Основные элементы синапса

Термин был введён в 1897 г. английским физиологом Чарльзом Шеррингтоном.

Структура синапса

Классификации синапсов

В зависимости от механизма передачи нервного импульса различают

химические;
электрические — клетки соединяются высокопроницаемыми контактами с помощью особых коннексонов (каждый коннексон состоит из шести белковых субъединиц). Расстояние между мембранами клетки в электрическом синапсе — 3,5 нм (обычное межклеточное — 20 нм)

Для нервной системы млекопитающих электрические синапсы менее характерны, чем химические.

смешанные синапсы: Пресинаптический потенциал действия создает ток, который деполяризует постсинаптическую мембрану типичного химического синапса, где пре- и постсинаптические мембраны не плотно прилегают друг к другу. Таким образом, в этих синапсах химическая передача служит необходимым усиливающим механизмом.

Наиболее распространены химические синапсы.

периферические
центральные
- аксо-дендритические — с дендритами, в т. ч.
- аксо-соматические — с телами нейронов;
- аксо-аксональные — между аксонами;
- дендро-дендритические — между дендритами;

В зависимости от медиатора синапсы разделяются на

По знаку действия:

возбуждающие
тормозные.

В некоторых синапсах присутствует постсинаптическое уплотнение — электронно-плотная зона, состоящая из белков. По её наличию или отсутствию выделяют синапсы асимметричные и симметричные. Известно, что все глутаматергические синапсы асимметричны, а ГАМКергические — симметричны.

Механизм функционирования химического синапса

Открыты два механизма высвобождения: с полным слиянием везикулы с плазмалеммой и так называемый «поцеловал и убежал» (англ. kiss-and-run), когда везикула соединяется с мембраной, и из неё в синаптическую щель выходят небольшие молекулы, а крупные остаются в везикуле. Второй механизм, предположительно, быстрее первого, с помощью него происходит синаптическая передача при высоком содержании ионов кальция в синаптической бляшке.

История открытия

В 1897 году Шеррингтон сформулировал представление о синапсах.
За исследования нервной системы, в том числе синаптической передачи, в 1906 году Нобелевскую премию получили Гольджи и Рамон-и-Кахаль.
В 1921 австрийский учёный О. Лёви (О. Loewi) установил химическую природу передачи возбуждения через синапсы и роль в ней ацетилхолина. Получил Нобелевскую премию в 1936 г. совместно с Г. Дейлом (Н. Dale).
В 1933 советский учёный А. В. Кибяков установил роль адреналина в синаптической передаче.
1970 — Б. Кац (В. Katz, Великобритания), У. фон Эйлер (U. v. Euler, Швеция) и Дж. Аксельрод (J. Axelrod, США) получили Нобелевскую премию за открытие роли норадреналина в синаптической передаче.

Ссылки

Савельев А. В. Методология синаптической самоорганизации и проблема дистальных синапсов нейронов // Журнал проблем эволюции открытых систем. — Казахстан, Алматы, 2006. — Т. 8. — № 2. — С. 96—104.
Экклз Д.К. Физиология синапсов. — М.: Мир, 1966. — 397 с.

Примечания

См. также

Гистология: Нервная ткань
Нейроны (Серое вещество)	Сома · Аксон (Аксонный холмик, Терминаль аксона, Аксоплазма, Аксолемма, Нейрофиламенты) Дендрит (Вещество Ниссля, Дендритный шипик, Апикальный дендрит, Базальный дендрит) типы: Биполярные нейроны · Псевдополярные нейроны · Мультиполярные нейроны · Пирамидальный нейрон · Клетка Пуркинье · Гранулярная клетка
Афферентный нерв/ Сенсорный нерв/ Сенсорный нейрон	GSA · GVA · SSA · SVA · Нервные волокна (Мышечные веретёна (Ia), Нервно-сухожильное веретено, II or Aβ, Aδ-волокна, C-волокна)
Эфферентный нерв/ Моторный нерв/ Моторный нейрон	GSE · GVE · SVE · Верхний моторный нейрон · Нижний моторный нейрон (α мотонейроны, γ мотонейроны)
Синапс	Нейропиль · Синаптический пузырек · Нервно-мышечный синапс · Электрический синапс · Химический синапс · Интернейрон (Клетки Реншоу)
Сенсорный рецептор	Чувствительное тельце Мейснера · Нервное окончание Меркеля · Тельца Пачини · Окончание Руффини · Нервномышечное веретено · Свободное нервное окончание · Обонятельный нейрон · Фоторецепторные клетки · Волосковые клетки · Вкусовая луковица
Нейроглия	Астроциты (Радиальная глия) · Олигодендроглиоциты · Клетки эпендимы (Танициты) · Микроглия
Миелин (Белое вещество)	CNS: Олигодендроцит PNS: Клетки Шванна · Невролемма · Перехват Ранвье/Межузловой сегмент · Насечка миелина
Соединительная ткань	Эпиневрий · Периневрий · Эндоневрий · Нервные пучки · Мозговые оболочки: твёрдая, паутинная, мягкая

The Synapse | Protocol (Translated to Russian)

18.6: Синапс

Нейроны общаются друг с другом, передавая свои электрические сигналы другим нейронам. Синапс — это место, где два нейрона встречаются для обмена сигналами. В синапсе нейрон, который посылает сигнал, называется пресинаптической клеткой, а нейрон, который получает сообщение, называется постсинаптической клеткой. Обратите внимание, что большинство нейронов могут быть как пресинаптическими, так и постсинаптическими, поскольку они и передают, и получают информацию.

Электрический синапс — это один из типов синапсов, в котором пре- и постсинаптические клетки физически связаны белками, называемыми щелевыми соединениями. Это позволяет напрямую передавать электрические сигналы в постсинаптическую клетку. Одной из особенностей этих синапсов является то, что они могут передавать электрические сигналы чрезвычайно быстро — иногда за доли миллисекунды — и не требуют ввода энергии. Это часто бывает полезно в цепях, которые являются частью поведения побега, например, у раков, которые сочетают ощущение хищника с активацией двигательной реакции.

Напротив, передача в химических синапсах — это ступенчатый процесс. Когда потенциал действия достигает конца аксонального терминала, потенциал-зависимые кальциевые каналы открываются и позволяют ионам кальция проникать в канал. Эти ионы запускают слияние везикул, содержащих нейротрансмиттеры, с клеточной мембраной, высвобождая нейромедиаторы в небольшое пространство между двумя нейронами, называемое синаптической щелью. Эти нейротрансмиттеры & mdash; включая глутамат, ГАМК, дофамин и серотонин & mdash; затем становятся доступными для связывания со специфическими рецепторами на мембране постсинаптической клетки. После связывания с рецепторами нейротрансмиттеры могут повторно использоваться, деградировать или диффундировать от синаптической щели.

Химические синапсы преобладают в мозгу человека и из-за задержки, связанной с высвобождением нейромедиаторов, имеют преимущества перед электрическими синапсами. Во-первых, может высвобождаться несколько или много пузырьков-везикул, что приводит к различным постсинаптическим ответам. Во-вторых, связывание с разными рецепторами может вызывать увеличение или уменьшение мембранного потенциала постсинаптической клетки. Кроме того, доступность нейротрансмиттеров в синаптической щели регулируется рециклингом и диффузией. Таким образом, химические синапсы передают нейронные сигналы, которые можно строго регулировать и точно настраивать.

Литература для дополнительного чтения

Xu-Friedman, Matthew A. “Measuring the Basic Physiological Properties of Synapses.” Cold Spring Harbor Protocols 2017, no. 1 (January 1, 2017): pdb.top089680. [Source]

Sheng, Morgan, and Eunjoon Kim. “The Postsynaptic Organization of Synapses.” Cold Spring Harbor Perspectives in Biology 3, no. 12 (December 1, 2011): a005678. [Source]

Искусственные синапсы. Инженер Виктор Ерохин об искусственных нейронных сетях, синаптическом обучении и восстановлении работы спинного мозга

Как вернуть человеку возможность ходить? Что общего между мозгом и компьютером? В проекте «Мир вещей. Из чего сделано будущее» совместно с Фондом инфраструктурных и образовательных программ (Группа РОСНАНО) рассказываем о последних открытиях и перспективных достижениях науки о материалах.

Человеческая нервная система содержит порядка 100 миллиардов нейронов, которые соединены разветвленными отростками — аксонами и дендритами. Электрический сигнал входит в нейрон по дендритам, а по аксонам передается следующим нейронам. Мостик для передачи нейронного импульса между аксоном одного нейрона и дендритом другого называют синапсом. Он важная составляющая нервной системы, которая отвечает за обучение.

Ученые разрабатывают искусственные синапсы, чтобы создать системы биоподобной обработки информации, которые решат сложные задачи, связанные с распознаванием, предсказанием, моделированием индивидуального и группового поведения. Дальнейшее развитие этих технологий может привести к реализации электронных устройств, которые избавят людей от атрофии, потери чувствительности и разрывов нервной ткани.

Мозг и компьютер

В компьютере процессор и память — два разных устройства, которые не влияют друг на друга. Когда информация записывается, заполняются ячейки памяти и ничего более. Доступ к памяти открыт, ее легко стереть или восстановить, но эти действия не влияют на свойства процессора. В мозгу ситуация другая: одни и те же элементы как хранят, так и обрабатывают информацию. Важнейшую роль при этом играют синапсы. Запоминая информацию, мы не только заполняем ячейки памяти, но и изменяем конфигурацию и связи между элементами нашего процессора. Это первое фундаментальное отличие архитектуры человеческого мозга от компьютера.

Второе фундаментальное отличие заключается в том, что любой компьютер с одним ядром выполняет операции последовательно, одну за другой. В мозгу информация обрабатывается параллельно, поэтому с распознаванием и предсказанием мозг справляется легче компьютера.

Сейчас мы совместно с Институтом фундаментальной медицины и биологии Казанского федерального университета работаем над протезом участка спинного мозга, состоящим из многочисленных электронных аналогов нейронов и синапсов. Предполагается, что он обеспечит интерфейс живых систем и электронных устройств, что поможет людям с повреждением моторных функций ног снова ходить.

Правило Хебба — изменение синаптических связей

В 1949 году физиолог и нейропсихолог Дональд Хебб сформулировал правило синаптического обучения, которое долгое время было основной парадигмой в этой области. Если два нейрона соединены между собой, то сила синаптической связи увеличивается по мере синхронизации между активностью первого и второго нейрона. Если мы применим правило для электронных сетей, можно рассмотреть два нелинейных пороговых элемента и проводник между ними. Проводник должен увеличивать проводимость по мере того, как часто или долго он используется для передачи сигнала от одного нелинейного элемента к другому. Современная интерпретация правила Хебба называется STDP (spike-timing-dependent plasticity) — биологический процесс, который регулирует синхронизацию активности нейронов и самопроизвольно устанавливает причинно-следственные закономерности.

STDP описывает возможность обучения без учителя. Спайк — форма нервного сигнала — на втором нейроне должен быть позже, чем на первом, а сила синапса увеличивается в зависимости от временного интервала между спайком первого и второго. Если это время порядка миллисекунды, то спайк на первом нейроне будет причиной, а спайк на втором — следствием. Чем чаще это повторяется с меньшей временной задержкой, тем больше укрепляется причинно-следственная связь двух событий. Если, наоборот, на постсинаптическом нейроне спайк возникает раньше, чем на пресинаптическом нейроне, то эта связь подавляется.

Перцептрон: искусственные нейронные сети

На заре вычислительных технологий люди занимались компьютерами, чтобы лучше понять устройство нервной системы и мозга. В конце 1940-х годов Фрэнк Розенблатт, американский психолог, предложил систему, которую назвал перцептроном. Это искусственная нейронная сеть из одного или нескольких слоев, в которой узлы — пороговые элементы — играют роль нейронов, и каждый узел предыдущего слоя связан с узлом последующего благодаря соединению, позволяющему изменять весовую функцию передачи сигнала. Изначально у связей внутри системы произвольные величины. Однако если выбран критерий для классификации объектов, то систему можно обучить, прилагая внешние стимулы.

В нашей первой работе был реализован однослойный элементарный перцептрон, который классифицировал только линейно разделяемые объекты. Нашей задачей было обучить нейросеть разделять объекты в соответствии с логической операцией НЕ-И или НЕ-ИЛИ. После нескольких стадий обучения перцептрон был в состоянии классифицировать объекты в соответствии с данными критериями. Однако в случае классификации по правилу исключений ИЛИ (XOR) однослойного перцептрона оказалось недостаточно. Мы сделали шаг в сторону реализации двуслойного перцептрона и опубликовали статью, где приборная реализация двуслойного перцептрона была сделана на основе органических мемристорных устройств.

Синаптическое обучение

Наша первая работа, посвященная реализации электронных элементов со свойствами синапсов, была опубликована в 2005 году. Нам удалось сделать мемристорное устройство, которое вело себя как синапс: оно изменяло сопротивление в зависимости от направления тока и количества прошедшего ионного заряда.

Компьютер в состоянии обучаться с помощью учителя (supervised learning). В 2015–2016 годах мы опубликовали две работы по перцептрону — искусственной нейронной сети, — используя мемристорные приборы в качестве элементов, способных менять передаточные весовые функции (аналогично роли синапса в нервной системе), а в 2019 году мы создали систему, способную, подобно собаке Павлова, к обучению без учителя (unsupervised learning).

В 2009–2011 годах в рамках выполнения европейского проекта (BION) нам удалось воспроизвести участок нервной системы улитки, который отвечает за обучение при кормлении, — напоминает упрощенный вариант собаки Павлова.

Механическое касание губ улитка воспринимает как нейтральный, если не сказать отрицательный стимул. Однако если касаться губ улитки сахаром, то она ассоциирует нейтральный сигнал прикосновения с присутствием пищи. Моллюск открывает рот и запускает пищеварительный процесс. Если это повторяется несколько раз, улитка реагирует аналогичным образом, даже если касание происходит без сахара. Данная работа представляет интерес, так как в ней была реализована не только функция обучения, но и архитектура нервной системы, отвечающая за такое обучение. Наши партнеры из Университета Варвик в Англии, используя систему имплантированных микроэлектродов, восстановили модель и архитектуру участка нервной системы, отвечающего за такое обучение. С помощью мемристорных устройств мы воспроизвели функции обучения и максимально приблизились к архитектуре мозга настоящего животного.

Мы работаем с более простыми системами, такими как участки спинного мозга. В настоящее время мы пытаемся воспроизвести функции участка спинного мозга, отвечающего за хождение. В случае успеха мы надеемся сделать имплант нервной системы и по крайней мере частично восстановить двигательные функции.

Мир органических соединений обладает уникальной возможностью — самоорганизацией. Используя специально синтезированные блок-сополимеры, проводящие полимеры и золотые наночастицы, мы сделали трехмерную сеть мемристорных устройств, содержащую порядка 100 миллиардов элементов на квадратном миллиметре, что на 5 порядков меньше, чем количество синапсов в нервной системе человека. Оказалось, что свойства системы зависят от метода обучения: изменяя алгоритмы, можно добиться детского (imprinting) или взрослого обучения.

В мозге новорожденного ребенка 1016 нервных соединений. В процессе формирования личности одни усиливаются, а другие подавляются, в результате формируется индивидуальность. Причем на раннем этапе (детское обучение) образуются устойчивые связи, которые практически не меняются всю жизнь. Взрослое обучение, напротив, отвечает за формирование короткодействующих связей, которые определяются изменяющейся входной информацией.

При этом нужно заметить, что важную роль играет и генетический фактор. Чем ближе архитектура наведенных во время детского обучения связей к генетической предрасположенности, тем они сильнее и долговечнее. Изменяя алгоритм обучения, можно перейти от детского обучения к взрослому, которое усиливается или ослабляется в зависимости от ситуации, в которой человек находится.

Материалы для искусственных синапсов

Органический мемристорный прибор состоит из гетероперехода проводящего полимера — в нашем случае полианилина — и твердого электролита. В окисленном состоянии полимер является хорошим проводником, а в восстановленном — диэлектриком. Разница в проводимости состояний составляет до 8–9 порядков величины.

Вместе с группой профессора Рустема Хазипова из Института фундаментальной медицины и биологии (КФУ) нам удалось сделать первый шаг к созданию протеза синапса. Мы тестировали наши приборы на крысах. В мозгу животных произвольно выбирались два нейрона, и до подключения мемристорного прибора проверялось, что эти нервные клетки не соединены естественными, биологическими синапсами. После эксперимента обе нервные клетки соединили органическим мемристорным прибором. Было показано, что спайки первой нервной клетки постепенно увеличивали передаточную функцию, силу синаптической связи, что привело к тому, что вторая нервная клетка начала генерацию спайков, после того как сила синаптической связи превысила некую пороговую величину. В результате по мере увеличения синаптической связи временной интервал между спайком на втором и первом нейронах уменьшался до величины трех микросекунд, что соответствует процессам в нервной системе живых организмов.

Во втором эксперименте мы не возбуждали первый нейрон: он был переведен в состояние естественного спайкования. Однако и в этом случае наблюдались аналогичные зависимости. Наша работа стала первой, когда электронное устройство сыграло роль элемента живой системы. Мы сделали первый робкий шаг на пути к созданию протезов синапсов.

Будущее искусственных синапсов

В мозгу человека 1016 синапсов: у него сложная структура, поэтому мы еще не скоро ее повторим. Но если исследования со спинным мозгом будут успешны, то, надеемся, через пять лет наши приборы и системы помогут людям восстанавливать чувствительность, моторику и возможность ходить, даже если поражения врожденные.

Мы работаем сразу в нескольких направлениях. В Италии (Институт материалов для электроники и магнетизма, Итальянский национальный совет по исследованиям, Парма) мы исследуем реализацию и характеристику органических мемристорных приборов. В Казанском федеральном университете мы сосредоточены на соединении наших устройств с элементами нервной системы животных и человека.

Опубликовано: 30 октября 2019

Автор: Виктор Ерохин, к.ф.-м.н., профессор Университета Парма, старший научный сотрудник Национального совета по науке Италии

Почему мозг — не компьютер

Почему размер мозга не связан с умом, как в нейронах возникает электричество и зачем мы все время тормозим. В гостях у ведущего передачи «Вопрос науки» Алексея Семихатова доктор биологических наук, профессор биологического факультета МГУ Вячеслав Альбертович Дубынин.

Мозг — не компьютер, потому что в нем есть штука под названием «синапсы», где сигналы передаются химическими веществами, и это тот принцип, которого нет в компьютере. Мозг — электрический и химический.

Пока сигнал бежит по нейрону — это электрический импульс, а когда он между нейронами — это химическое вещество. В тот момент, когда передаются химические сигналы от разных синапсов, возникает то, что мы можем назвать принятием решения, а иногда — мышлением. Нервная клетка считывает, сравнивает сигналы, часть из них заставляет ее реагировать, а часть, наоборот, говорит: не реагируй.

Нейроны все время тревожат друг друга, передают информацию при помощи химических веществ. Если информация передается с помощью слабых химических сигналов, она очень легко теряется и ваша мысль, которую вы начали думать, до конца не дойдет. И поэтому «умнеть» — это, как правило, означает, что некие контакты в синапсе начинают в системе работать более эффективно. То есть, когда мы учимся и умнеем, это в наших нейросетях синапсы начинают работать более эффективно. И это, как правило, означает изменение именно на химическом уровне.

Сам нейрон — это здоровенная вычислительная машина. А элементарной структурно-функциональной единицей мозга является именно синапс. И, собственно, вычислительные возможности мозга — это не его вес, не число нейронов, а число синапсов на единицу объема.

Нейронов может быть не так много, но контактов они образуют большое количество, и эта штука будет очень эффективно считать. Иногда маленький мозг работает мощнее, чем большой. Ну так же, как компьютер. Хороший пример — это птицы. Ведь у них каждый грамм на счету, они должны летать. Поэтому они создают такие очень компактные «ноутбуки», где вычислительные ресурсы очень плотно спрессованы. Ворона или попугай по интеллекту не уступают собаке, а местами и превосходят.

Бразильская исследовательница Сюзана Херкулано-Хузел научилась очень точно считать количество нейронов в разных отделах. И последние десять лет она публикует совершенно фантастические статьи. У нее получается, что наша линия, линия приматов, как раз обладает повышенной плотностью нейронов, повышенной плотностью синапсов. А у птиц это врановые и попугаи.

Синапс срабатывает за 2–3–5 миллисекунд, это медленно. Компьютер бы просто смеялся. Вернее, он бы ждал. Мы за счет чего выскакиваем? У нас мозг так работает, что мы — не один процессор, а сотни, тысячи параллельно работающих сопроцессоров. Как идет сложный процесс — например, зрительное восприятие? Сигнал разбрасывается на разные центры, и один считает форму, второй — размер, третий — расстояние, а также объем, движение. И потом после этого ассоциативная теменная кора создает целостность.

Откуда в голове берется электричество? Начинается все с того, что мы едим глюкозу. Дальше все это попадает в митохондрии, которые все это превращают в особые энергоемкие молекулы, они называются АТФ. Это микробатарейки для внутреннего пользования нейронов. От них нейрон получает отрицательный заряд цитоплазмы. А положительный выбрасывается из клетки.

Когда говорится, что мозг потребляет до 20% энергии, — это в основном энергия на постоянную подзарядку этих внутренних батареек, на сохранение постоянного отрицательного заряда нейронов. Каждый раз, когда идет передача информации и возникает импульс, мы часть этого заряда тратим.

Эти заряды или потенциалы можно измерить. Для удобства работают с нервными клетками, которые просто выросли в чашке Петри, как микробы. Вы под микроскопом вводите в культуру клеток тончайшую стеклянную трубочку, там внутри раствор калий-хлор. И когда вы протыкаете мембрану, заряд прыгает вниз, показания вашего вольтметра меняются и составляют где-то –70 милливольт, или –0,07 вольта. Немного, но вполне осязаемо. Когда импульс идет по нейрону, он использует этот отрицательный заряд для того, чтобы генерировать очередную ступеньку тока. И вот эта ступенька бежит по нервной клетке. По сути это почти двоичный код. Все наши мысли, чувства, эмоции кодируются такими ступеньками. Если мы воткнемся в правильное место нейросети и будем такие ступеньки подавать, мы можем у человека вызвать иллюзию положительных эмоций. Или какого-то зрительного образа. Или движение запустить.

И когда такой импульс добегает до окончания нервной клетки, он запускает движение специальных пузырьков. Там вещество — медиатор, по-русски посредник. И этот посредник влияет на мембрану следующей нервной клетки. Пузырек прилипает к наружной мембране и лопается. Медиаторы выбрасываются в узкую щель между двумя нервными клетками. Она называется «синаптическая щель». Дальше эти медиаторы доплывают до следующей клетки и нажимают на специальные чувствительные белки. Если медиатора достаточно много, тогда следующий нейрон сгенерирует импульс и это будет означать, что какой-то кусочек информации благополучно миновал синапс.

Просто так информацию никто не проводит, иначе наш мозг будет зашумлен. Сигнал должен быть достаточно сильным. Для того чтобы возник импульс на следующей клетке, надо, чтобы эти волны дошли до уровня где-то –50 милливольт. Одиночное срабатывание синапса обычно дает только половину, а то и треть от этого. Чтобы сигнал прошел, нужно повторное подтверждение: да, это значимо, да, это значимо… Это называется «временная суммация», когда по одному каналу идет несколько пинков. Срабатывание сразу нескольких каналов называется пространственной суммацией. В реальном мозге работают и пространственная, и временная.

Но кроме возбуждающих синапсов есть еще тормозные, которые мешают работать возбуждающим. При работе тормозных синапсов возникает противоположное течение зарядов. И волна торможения вычитается из волны возбуждения.

Когда стали изучать мозг, то увидели, что половина нейронов занимается торможением. Очень важно проводить информацию и не менее важно не проводить. Когда важно не проводить информацию? Например, школьник спокойно сидит за партой и не чешется, не крутится, смотрит на доску. Или вы просто идете, у вас из 400 мышц работают только 10%, а остальные надо подтормаживать. У нас главная двигательная структура находится в мозжечке, и там самые крупные нейроны — именно тормозные. Они блокируют лишние движения.

Чтобы хорошо двигаться, нужно начать с того, что себя блокировать, а уже потом разблокировать. Наши двигательные центры так организованы, что над ними все время тормозная завеса. Потому что это очень критичная на самом деле штука — движение. Ведь мы, если совершили неподходящий шаг, можем погибнуть просто мгновенно. Поэтому в сенсорной системе, в центрах памяти, эмоций возбуждение возникает гораздо легче. Там это не так критично — подумаешь, там что-то послышалось!

Можно привести такой пример: апельсин на прилавке магазина. Вы видите, что да, это апельсин, вы чувствуете его запах, а еще центры голода говорят: неплохо бы поесть! И вот вы уже почти его схватили. А в это время тормозные нейроны сообщают: это вообще-то не ваш апельсин. Вы его еще не купили. И денег у вас нет. И воровать нехорошо. Вот если эти волны вниз так вычтутся из волн вверх, что мы не дойдем до порога запуска импульса, то ничего не будет. А если возбуждение все-таки победит — вы схватите апельсин и попытаетесь убежать.

Наша работа нейронов — это все время вот такая конкуренция возбуждения и торможения. Это даже мышлением назвать немного стыдно. И таких процессов происходит невероятное, безумное количество. Потому что счет синапсов идет на триллионы.

Нейроморфные компьютеры думают со скоростью света / Наука / Независимая газета

Создана сверхбыстрая оптическая сеть – и это еще один шаг к искусственному интеллекту

Скорее всего искусственный интеллект не будет похож на антропоморфных роботов. Кадр из фильма «Искусственный разум». 2001

В австрийском Линце прошел фестиваль цифрового искусства «Арс Электроника» (Ars Electronica Festival), посвященный поискам гуманности в мире, охваченном страстью. И страсть эта – или, как сегодня говорят, хайп, – связана с искусственным интеллектом (ИИ). На мероприятии были представлены разнообразные роботы, в том числе и используемые в интимной сфере. Не обошлось и без ДНК как долговременного и надежного хранителя информации в сверхкомпактном виде.

Главный приз в виде золоченой статуэтки богини победы Ники присудили за мультисенсорное устройство, сочетающее в себе биотехнологию и эмоциональные связи, «подстегиваемые» испарениями раствора серотонина. Напомним, воздействие серотонина на мозг вызывает хорошее настроение. Все это называется «гибридное искусство».

На фестивале была показана графеновая пирамида, то есть 3D-структура, впервые построенная из одноатомного слоя углеродной структуры. Считается, что графен таким образом сможет заменить кремний. Графен превосходит привычный уже нам кремний по многим параметрам, именно поэтому сейчас ученые ищут модификации кремния, которые позволят им расширить границы его применения.

Сотрудники университетов Оксфорда и Мюнстера сумели благодаря нитриду кремния создать фотонный чип со свойствами реального синапса – точки межнейронных связей в мозге. Тем самым сделан шаг к «нейроморфическим компьютерам», имитирующим способность мозга к одновременной обработке и хранению информации.

Число синапсов в мозге на порядки превышает количество нервных клеток. К тому же синапсы пластичны, то есть образуются и перестраиваются в течение 20–30 секунд! Ученые из Оксфорда и Мюнстера построили оптическую фотонно-интегрированную сеть со сверхбыстрой операционной скоростью, практически неограниченной полосой пропускания и отсутствием электрических потерь в местах контактов. Ученые считают, что фотонный синапс способен, как и нервный, «взвешивать» приходящую информацию и менять вес-нагрузку путем варьирования оптических импульсов, посылаемых по волноводу. Это свойство весьма сходно с указанной пластичностью естественного синапса, проявляющего постоянную вариабельность.

В цюрихском политехе на основе так называемых коллоидных квантовых точек (quantum dots) создали регулируемые спазеры, или лазероподобные источники высокой интенсивности. Сейчас такие настраиваемые источники света более сложной структуры активно используются в освещении, подсветке дисплеев и лазерах, но их трудно использовать в чипах. Ученые подчеркивают, что их спазер имеет открытую архитектуру с плазмонными полостями, в которых фотовозбуждение генерирует одноцветные (монохроматические) плазмоны с длиной волны 630 нанометров. (Плазмон – это совокупная электронная волна на поверхности золота или полупроводниковой квантовой точки.)

Плазмон посредством усилителя фокусируется на нанометровом кончике, приводя к возникновению сильного электромагнитного поля. Новая платформа может использоваться с различными длинами волн и разной геометрией, что открывает перспективы применения плазмонных чипов в фундаментальных исследованиях и различных технических приложениях.

Один из популярных поисковиков совсем недавно объявил о тестировании рабочей структуры с использованием девяти кубитов (qubit), или квантовых битов, с помощью которых был осуществлен квантовый сэмплинг (sampling). Последний подразумевает создание модели подбрасывания монеты. Дело в том, что классические компьютеры работают на основе последовательного выполнения операций, а квантовый компьютер рассматривает монетки как частицы, подчиняющиеся квантовым законам. Решение задачи с монетками-частицами носит название квантового сэмплинга (sample – образец).

Создатели архитектуры с девятью кубитами, гордые своим достижением, полагают, что им удалось решить задачу с высокой степенью точности. Однако реально квантовый компьютер заработает только с 50 кубитами, что чрезвычайно усложняет создание для него соответствующего софта.

Сторонники подхода, разработанного специалистами поисковика, уверены, что авторам удалось оправдать многие ожидания. Именно это и привлекло внимание многих к новой архитектуре. Критики, однако, не убеждены в верности подхода, уверяя, что громкие заявления о квантовом превосходстве не отражают реальную картину. Они говорят также, что подобного рода квантовые расчеты с монетками могут быть выполнены и на классических компьютерах, хотя они и решат задачу квантового сэмплинга не слишком быстро. Поэтому пока достижение поисковика лишь намек на то, что со временем квантовые компьютеры станут лучше «регулярных» и всем привычных.

Комментарии для элемента не найдены.
Ученые выяснили, как можно замедлить старение мозга — Наука
МОСКВА, 24 июля. /ТАСС/. Ученые Балтийского федерального университета (БФУ) имени Иммануила Канта нашли способ замедлить процессы старения мозга, изучив влияние активного образа жизни и умеренного питания на активность глиальных клеток мозга и их способность укреплять нейронные связи. Об этом сообщила в среду пресс-служба БФУ.
«Ученые установили, что глиальные клетки также могут влиять на передачу сигналов. Они <…> регулируют синаптическую передачу, высвобождая аденозинтрифосфат (АТФ — универсальный источник энергии и нейромедиатор глиальных клеток). Все эти процессы напрямую влияют на когнитивные функции головного мозга», — пояснил участник исследования, ассистент Института живых систем БФУ Александр Богданов.
Авторы исследования изучали способность глиальных клеток влиять на сохранение молодости мозга в лабораторных условиях. Для одной группы мышей они обеспечили активный образ жизни — с тоннелями, игрушками, беговым колесом и большим пространством, а другой группе ограничили потребление калорий в пище (животные потеряли не более 10% массы тела).
Итоги эксперимента
По итогам эксперимента пожилые представители обеих групп смогли лучше сохранить показатели когнитивных функций в сравнении с контрольной группой мышей, образ жизни и питание которых не корректировались. Авторы исследования полагают, что активный образ жизни и умеренное питание способны стать эффективной профилактикой нейродегенеративных заболеваний, в том числе деменции.
«На сегодняшний день мы установили, что здоровый образ жизни и умеренное количество потребляемых калорий способны замедлить старение мозга за счет увеличения способности глиальных клеток выделять АТФ. Но перед нами стоит новая задача — найти фармакологический способ для борьбы со старением мозга. Ведь не всем разрешены, например, физические нагрузки, или у человека может наблюдаться метаболический синдром, и простая диета ему не поможет», — цитирует ученого пресс-служба БФУ.
Головной мозг человека содержит 90 млрд нейронов — клеток, предназначенных для хранения и передачи информации в форме электрических и химических сигналов. Область контакта нейронов друг с другом называется синапсом. С годами синаптические связи изменяются — либо укрепляясь, либо ослабляясь. При этом источником энергии для нейронов и синапсов служат глиальные клетки.
Авторы исследования обнаружили новую способность глиальных клеток влиять на качество связей между нейронами, которые обеспечивают сохранение когнитивных функций мозга — состояния памяти, интеллекта, речи, которое ухудшается с возрастом.
Исследования проводились на базе Уорикского университета (Великобритания) под руководством исследователей профессора БФУ им. И. Канта Юрия Панкратова. Результаты исследования опубликованы в журнале Frontiers in Cellular Neuroscience.
синапсов | Анатомия и физиология I
Введение в синапсы
Обычно требуется несколько нейронов для передачи сигнала из одного места тела в другое. Так как же сигнал проходит от одного нейрона к другому по нейронному пути? Сигнал должен передаваться через интерфейс между последовательными нейронами, и мы узнаем, как это достигается в следующем разделе.
Термин синапс означает «сближение». Когда две структуры или объекты объединяются, они образуют синапс.Хотя можно использовать слово синапс для обозначения любого клеточного соединения, в физиологии мы традиционно ограничиваем его использование: соединением двух нейронов, соединением между нейроном и клеткой-мишенью (например, нервно-мышечным соединением) или интерфейсом между соседними клетки сердечной мышцы или соседние клетки гладкой мускулатуры. В нервной системе синапс — это структура, которая позволяет нейрону передавать электрический или химический сигнал другой клетке.
Ячейки синапсов
Клетка, доставляющая сигнал в синапс, является пресинаптической клеткой.Клетка, которая получит сигнал при прохождении через синапс, называется постсинаптической клеткой. Поскольку большинство нервных путей содержат несколько нейронов, постсинаптический нейрон в одном синапсе может стать пресинаптическим нейроном для другой клетки ниже по течению.
Пресинаптический нейрон может образовывать один из трех типов синапсов с постсинаптическим нейроном. Наиболее распространенный тип синапсов — аксодендритный синапс, где аксон пресинаптического нейрона соединяется с дендритом постсинаптического нейрона.Если пресинпатический нейрон синапсирует с сомой постсинаптического нейрона, это называется аксосоматическим синапсом, а если он синапс с аксоном постсинаптической клетки — это аксоаксонический синапс. Хотя наша иллюстрация показывает один синапс, нейроны обычно имеют много (даже 10 000 и более) синапсов.
Трансмиссия Synapse
В вашем теле есть два типа синапсов: электрические и химические. Электрические синапсы обеспечивают прямой проход ионов и сигнальных молекул от клетки к клетке.Напротив, химические синапсы не передают сигнал непосредственно от пресинаптической клетки к постсинаптической клетке. В химическом синапсе потенциал действия пресинаптического нейрона приводит к высвобождению химического посредника, называемого нейротрансмиттером. Затем нейромедиатор диффундирует по синапсу и связывается с рецепторами постсинаптической клетки. Связывание нейромедиатора приводит к выработке электрического сигнала в постсинаптической клетке.
Почему в теле есть два типа синапсов? Каждый тип синапса имеет функциональные преимущества и недостатки.Электрический синапс передает сигнал очень быстро, что позволяет группам клеток действовать в унисон. Химическому синапсу требуется гораздо больше времени для передачи сигнала от одной клетки к другой; однако химические синапсы позволяют нейронам интегрировать информацию от нескольких пресинаптических нейронов, определяя, будет ли постсинаптическая клетка продолжать распространять сигнал. Нейроны по-разному реагируют на информацию, передаваемую несколькими химическими синапсами. Давайте подробнее рассмотрим структуру и функцию каждого типа синапсов.
Электрические синапсы передают потенциалы действия посредством прямого протекания электрического тока в щелевых соединениях. Щелевые соединения образуются, когда две соседние клетки имеют трансмембранные поры, которые совпадают. Мембраны двух клеток связаны друг с другом, а выровненные поры образуют проход между клетками. Следовательно, между клетками может проходить несколько типов молекул и ионов. Из-за прямого потока ионов и молекул от одной клетки к другой электрические синапсы обеспечивают двунаправленный поток информации между клетками.Щелевые соединения имеют решающее значение для функционирования сердечных миоцитов и гладких мышц.
Химические синапсы составляют большинство синапсов в вашем теле. В химическом синапсе пре- и постсинаптические клетки разделяет синаптическая щель или щель. Потенциал действия, передаваемый к окончанию аксона, приводит к секреции химических посредников, называемых нейротрансмиттерами, из окончаний аксона. Молекулы нейротрансмиттера диффундируют через синаптическую щель и связываются с рецепторными белками на клеточной мембране постсинаптической клетки.Связывание нейромедиатора с рецепторами постсинаптической клетки приводит к временному изменению мембранного потенциала постсинаптической клетки.
Строение химического синапса. (CC BY).
Процесс синаптической передачи в химическом синапсе между двумя нейронами включает следующие шаги:
Потенциал действия, распространяющийся вдоль аксона пресинаптического нейрона, достигает конца аксона.
Деполяризация аксолеммы (плазматической мембраны аксона) на конце аксона открывает каналы Ca ²⁺, и Ca ²⁺ диффундирует в терминал аксона.
Ca ²⁺ связываются с кальмодулином, повсеместно распространенным внутриклеточным рецептором кальция, заставляя синаптические пузырьки мигрировать и сливаться с пресинаптической мембраной.
Нейромедиатор попадает в синаптическую щель в процессе экзоцитоза.
Нейромедиатор диффундирует через синаптическую щель и связывается с рецепторами на постсинаптической мембране.
Связывание нейромедиаторов с постсинаптическими рецепторами вызывает ответ в постсинаптической клетке.
Ответ может быть двух видов:
Нейромедиатор может связываться с рецептором, который связан с определенным ионным каналом, который при открытии обеспечивает диффузию иона через канал. Если каналы Na ⁺ открыты, Na ⁺ быстро диффундирует в постсинаптическую клетку и деполяризует мембрану до порога для потенциала действия. Если каналы K ⁺ открыты, K ⁺ диффундирует из клетки, понижая полярность мембраны ниже ее потенциала покоя (гиперполяризация).Если каналы Cl ^— открыты, Cl ^— перемещается в ячейку, что приводит к гиперполяризации.
Нейромедиатор может связываться с трансмембранным рецепторным белком, заставляя его активировать G-белок на внутренней поверхности постсинаптической мембраны. Каскад событий приводит к появлению в клетке второго мессенджера (иона кальция, циклического АМФ (цАМФ) или IP ₃). Вторичные мессенджеры могут оказывать разнообразное воздействие на клетку — от открытия ионного канала до изменения клеточного метаболизма и инициации транскрипции новых белков.
Эффекты нейротрансмиттера
Ответ постсинаптической клетки на нейромедиатор зависит от конкретных рецепторов, присутствующих на ее клеточной мембране. Большинство нейротрансмиттеров могут связываться более чем с одним рецептором, обнаруженным в организме, и реакция клетки зависит от того, какой рецептор связан. Различные рецепторы вызывают разные клеточные ответы, потому что они активируют процессы в клетке.
Холинергические рецепторы
Холинергические рецепторы, открывающие ионные каналы, вызывают изменения мембранного потенциала.Эта работа Cenveo находится под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 США.
Давайте посмотрим на пример. Рецепторы, которые могут связывать нейромедиатор ацетилхолин (ACh), называются холинергическими рецепторами — это тип рецептора. Существует более одного холинэргического рецептора — разные холинэргические рецепторы называются подтипами. Один подтип, никотиновый холинергический рецептор, открывает натриевые каналы, когда связывает ACh. Стимуляция никотинового холинергического рецептора приводит к деполяризации клетки.Другой подтип, мускариновый холинергический рецептор, открывает калиевый канал, когда связывает ACh. Стимуляция мускаринового холинергического рецептора приводит к гиперполяризации клеток. Ацетилхолин может возбуждать или ингибировать постсинаптическую клетку в зависимости от того, имеет ли эта клетка подтип никотинового или мускаринового рецептора.
В примере, который мы только что рассмотрели, оба подтипа рецепторов были связаны с разными ионными каналами. Также возможно, что один подтип рецептора связан с ионным каналом, в то время как другой подтип приводит к образованию второго мессенджера.В этом случае время ответа постсинаптической клетки другое. Открытие ионного канала занимает очень мало времени по сравнению со сложной сигнализацией, происходящей со вторым мессенджером. Ответ быстрый, если рецептор связан с ионным каналом, и медленный, если рецептор ведет к вторичному каскаду мессенджеров. Хотя каскады вторичных мессенджеров и медленнее, они могут производить более разнообразные клеточные эффекты и иметь преимущество в виде усиления. Связывание одной молекулы нейромедиатора может производить множество молекул второго мессенджера.Напротив, если рецептор открывает ионный канал, одна молекула нейромедиатора (или иногда две молекулы) необходима, чтобы открыть единственный ионный канал в постсинаптической клетке.
Рецептор, который производит второго мессенджера в постсинаптической клетке. Вторичные мессенджеры могут вызывать широкий спектр эффектов в постсинаптической клетке. Эта работа Cenveo находится под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 США.
Синаптические потенциалы
Возбуждающий постсинаптический потенциал деполяризует мембрану, приближая ее к пороговому потенциалу.Эта работа Cenveo находится под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 США.
Постсинаптические потенциалы развиваются в мембране постсинаптической клетки, когда связывание нейромедиатора с рецепторами приводит к открытию ионных каналов. Возбуждающий постсинаптический потенциал (ВПСП) возникает, если мембрана деполяризуется движением ионов. Если, с другой стороны, мембрана становится гиперполяризованной при движении ионов, генерируется тормозной постсинаптический потенциал (IPSP). EPSP и IPSP — это местный потенциал.
EPSP
Открытие натриевых или кальциевых каналов приводит к деполяризации мембраны. Если имеется достаточная деполяризация, достигается пороговый потенциал, и в постсинаптической мембране создается потенциал действия. Поскольку ВПСП деполяризует мембрану, он усиливает потенциалы действия.
IPSP
Тормозной постсинаптический потенциал гиперполяризует мембрану, удаляя ее от порогового потенциала. Эта работа Cenveo находится под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 США.
Открытие калиевых или хлоридных каналов приводит к гиперполяризации мембраны. (Поскольку ток направлен наружу для ионов калия и внутрь для ионов хлорида, открытие любого из этих двух каналов вызовет гиперполяризацию постсинаптической мембраны.) Гиперполяризованная мембрана отодвинулась дальше от порогового потенциала и с меньшей вероятностью произведет действие. потенциал. Поскольку IPSP гиперполяризует мембрану, он подавляет потенциалы действия.
Помните, что нейрон синапсирует со многими другими нейронами. Таким образом, постсинаптический нейрон может одновременно получать сигналы от многих пресинаптических нейронов. Имеет ли постсинаптическая клетка потенциал действия, зависит от суммирования (аддитивного эффекта) всех входящих сигналов. Каждый активный синапс может вызвать локальный потенциал (либо EPSP, либо IPSP). Суммарный эффект всех локальных потенциалов на триггерную зону определяет, есть ли потенциал действия в постсинаптической клетке.
Существует два разных способа суммирования локальных потенциалов, чтобы возбудить постсинаптическую клетку, чтобы получить потенциал действия. Временное суммирование происходит, когда последовательные ВПСП в одном синапсе происходят в быстрой последовательности. Последовательные потенциалы возникают до того, как отмирают предыдущие, вызывая возрастающую деполяризацию мембраны.
Временное суммирование происходит, когда один синапс очень быстро стимулирует постсинаптическую клетку, и ВПСП, продуцируемые постсинаптической клеткой, накладываются друг на друга, вызывая возрастающий уровень деполяризации.Эта работа Cenveo находится под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 США.
Влияние временного суммирования на мембранное напряжение в триггерной зоне. Достигается пороговое напряжение, и постсинаптическая клетка запускает потенциал действия. Эта работа Cenveo находится под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 США.
Суммирование также может происходить, когда несколько пресинаптических нейронов одновременно стимулируют постсинаптический нейрон (пространственное суммирование). Каждый отдельный синапс пропускает ограниченное количество ионов и немного изменяет мембранный потенциал.Коллективный эффект всех синапсов позволяет достаточному количеству ионов достичь порогового потенциала, и срабатывает потенциал действия.
Пространственное суммирование происходит, когда коллективный эффект множества синапсов деполяризует постсинаптический нейрон до порогового значения, что приводит к потенциалу действия. Эта работа Cenveo находится под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 США.
Взаимодействие между IPSP и EPSP очень важно. Будет ли создан потенциал действия, зависит не только от суммы EPSP, но и от суммы EPSP и IPSP.Алгебраическая сумма всех ВПСП и ВПСП должна иметь достаточную амплитуду, чтобы поднять мембранный потенциал до порогового значения для потенциала действия. Это означает, что если IPSP превалируют, то постсинаптическая ячейка будет «молчать». Следовательно, можно представить процесс суммирования как «перетягивание каната» между возбуждающими и тормозными токами, вызванными связыванием нейротрансмиттеров с возбуждающими или тормозными постсинаптическими рецепторами, соответственно.
Классы нейротрансмиттеров
Нейротрансмиттеры — это органические молекулы, которые позволяют нейронам общаться друг с другом и с клетками-мишенями.Нейротрансмиттеры делятся на четыре класса в зависимости от их химического состава.
Ацетилхолин (ACh) представляет собой небольшую молекулу, образованную из ацетата и холина. Это само по себе в классе. Ацетилхолин — единственный нейротрансмиттер, используемый в нервно-мышечном соединении, а также нейромедиаторы, используемые парасимпатической нервной системой.
Строение ацетилхолина.
Некоторые аминокислоты действуют как нейротрансмиттеры. Глицин и γ-аминомасляная кислота (ГАМК) являются наиболее распространенными тормозными нейротрансмиттерами в спинном и головном мозге соответственно.Глутамат (глутаминовая кислота) и аспартат являются возбуждающими нейротрансмиттерами, обнаруженными в головном и спинном мозге соответственно.
Биогенные амины (моноамины) образуются из аминокислот, у которых удален карбоксильный конец. Три биогенных амина, называемые катехоламинами, сгруппированы вместе, так как все они получены из одной и той же аминокислоты, L-тирозина. Катехоламины включают: норэпинефрин (норадреналин), адреналин (адреналин) и дофамин (дофамин также может быть получен из фенилаланина).Норэпинефрин (NE) — нейротрансмиттер симпатической нервной системы (ваша реакция «бей или беги»). Адреналин (E) имеет аналогичные эффекты с NE, но в меньшем количестве. Дофамин наиболее известен своей ролью в двигательном торможении. Потеря нейронов, продуцирующих дофамин, при болезни Паркинсона приводит к дискинезиям (двигательным расстройствам). Катехоламины связываются с адренорецепторами. Другие биогенные амины включают серотонин и гистамин.
Строения биогенных аминовых нейромедиаторов.Эта работа Cenveo находится под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 United.
Нейропептиды — это небольшие белки, которые действуют как нейротрансмиттеры. Они являются крупнейшими нейротрансмиттерами, и их количество может составлять от пары аминокислот до 40. Примером нейропептидных нейромедиаторов является β-эндорфин, химическое вещество, связанное с приподнятым настроением, возникающим при физических упражнениях.
Примеры нейротрансмиттеров нейропептидов. Эта работа Cenveo находится под лицензией Creative Commons Attribution 3.0 США.
Связь
Как нейроны взаимодействуют друг с другом?
Нейроны общаются в структурах, называемых синапсами в процесс, называемый синаптической передачей. Синапс состоит из двух нейронов, один из которых отправляет информацию. к другому. Передающий нейрон известен как пресинаптический нейрон (т.е. перед синапсом), в то время как принимающий нейрон известен как постсинаптический нейрон (т.е.после синапса). Хотя поток информации вокруг мозга достигается за счет электрического активность, связь между нейронами — это химический процесс. Когда потенциал действия достигает синапса, поры в клеточной мембране закрываются. открыт, позволяя притоку кальция ионы (положительно заряженные атомы кальция) в пресинаптический терминал. Это заставляет небольшой «пакет» химического нейротрансмиттера быть выпущенным в небольшой промежуток между двумя клетками, известный как синаптический расщелина.Нейромедиатор распространяется через синаптической щели и взаимодействует со специализированными белками, называемыми рецепторами, которые встроены в постсинаптическую мембрану. Эти рецепторы ионные каналы, через которые проходят определенные типы ионов (заряженные атомы) поры в их структуре. Пора открывается после взаимодействия с нейромедиатором, обеспечивающим приток ионов в постсинаптическую терминал, который распространяется по дендриту в сторону сомы.Для аннотированной анимации кликните сюда.
Синаптическая передача может быть возбуждающим или тормозящим
Нейротрансмиссия может быть возбуждающей, т.е. увеличивает вероятность постсинаптического нейрона, запускающего потенциал действия или тормозящего. В этом случае тормозящий сигнал снижает вероятность действия. потенциал, генерируемый после возбуждения. Работа?
Ну вот где вещи немного сложнее! Мы видели, что потенциал действия распространяется передним фронтом волны деполяризации, активируя натриевые каналы дальше по аксону.Мы также видели, что активация этих натриевых каналов достигается небольшой деполяризацией нейрональной мембраны.
Но что было бы, если бы мембранный потенциал стабилизировался? Деполяризация внутри аксона нейрона исчезнет, и потенциал действия не сможет распространяться дальше, т.е. это было бы подавлено. Эта стабилизация мембранного потенциала достигается за счет притока отрицательно заряженных ионы хлорида, на которые не влияет приходящая волна деполяризации вниз по аксону.Раньше это эквивалентно истечению положительного заряженные ионы натрия. Это все равно, что пробить дыру в шланге так, чтобы вода будет вытекать через прокол и не попадать в ороситель!
Запутались? Хмммм …. ну мы можем посмотреть так — отрицательно заряженные ионы хлорида нейтрализуют положительно заряженные ионы натрия, следовательно, нет деполяризации и нет распространение потенциала действия !!
Веб-статистика
Структура синапсов — основы неврологии
Чтобы нервная система функционировала, нейроны должны иметь возможность общаться друг с другом, и они делают это через структуры, называемые синапсами.В синапсе конец пресинаптической клетки входит в тесный контакт с клеточной мембраной постсинаптического нейрона.
Рисунок 8.1. Окончание пресинаптического нейрона входит в тесный контакт с постсинаптической клеткой в синапсе. «Synapse» Кейси Хенли находится под международной лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0.
Есть два типа синапсов: электрические и химические.
Электрооборудование
Электрические синапсы — это прямая связь между двумя нейронами.Белки клеточной мембраны, называемые коннексонами, образуют щелевые соединения между нейронами. Щелевые соединения образуют поры, которые позволяют ионам перемещаться между нейронами, поэтому, когда потенциал действия распространяется в пресинаптическом нейроне, приток натрия может перемещаться непосредственно в постсинаптический нейрон и деполяризовать клетку. Ответ в постсинаптической клетке почти мгновенный, с небольшой задержкой или без задержки между передачей сигналов в пре- и постсинаптических нейронах.
Анимация 8.1. Связанные с мембраной белки, называемые коннексонами, образуют щелевые соединения между пресинаптическими и постсинаптическими нейронами.Это позволяет осуществлять прямой обмен ионами между нейронами. Потенциал действия в пресинаптическом нейроне вызовет немедленную деполяризацию постсинаптической мембраны, потому что ионы натрия будут пересекать мембрану через щелевые соединения. «Электрический синапс — ионный поток» Кейси Хенли находится под международной лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0. Просмотр статического изображения анимации.
Поскольку щелевые переходы обеспечивают беспрепятственную диффузию ионов, сигнал может проходить двунаправленно через электрический синапс.Электрохимические градиенты определяют направление ионного потока.
Анимация 8.2. Поскольку электрический синапс представляет собой прямую физическую связь между двумя нейронами, ионы могут проходить через щелевой переход в любом направлении. «Двунаправленный электрический синапс» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 International License. Просмотр статического изображения анимации.
Кроме того, небольшие молекулы, такие как АТФ или вторичные мессенджеры, также могут перемещаться через щелевые соединения.Эти сигнальные молекулы играют важную роль в клеточных механизмах, что мы увидим в следующей главе.
Анимация 8.3. Щелевые соединения достаточно велики, чтобы пропускать поток небольших клеточных молекул, таких как АТФ или вторичные мессенджеры. «Электрический синапс — маленькие молекулы» Кейси Хенли находится под международной лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0. Просмотр статического изображения анимации.
Химическая промышленность
Химические синапсы не образуют физических связей между пре- и постсинаптическими нейронами.Вместо этого между пресинаптическим окончанием и постсинаптической мембраной существует пространство, называемое синаптической щелью.
Рисунок 8.2. Химический синапс не имеет прямого контакта между двумя нейронами. Пресинаптический терминал и постсинаптическая мембрана разделены синаптической щелью. Нейротрансмиттеры хранятся в пресинаптической клетке, а постсинаптическая клетка имеет рецепторы нейротрансмиттеров в мембране. «Chemical Synapse» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 Международная лицензия.
Рисунок 8.2. Химический синапс не имеет прямого контакта между двумя нейронами. Пресинаптический терминал и постсинаптическая мембрана разделены синаптической щелью. Нейротрансмиттеры хранятся в пресинаптической клетке, а постсинаптическая клетка имеет рецепторы нейротрансмиттеров в мембране. «Chemical Synapse» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 International License.
В химическом синапсе деполяризация потенциала действия, достигающего пресинаптического терминала, вызывает высвобождение нейротрансмиттеров, которые действуют на специализированные рецепторы, расположенные в клеточной мембране постсинаптического нейрона.Структура и функция химических синапсов делают их медленнее электрических синапсов и позволяют передавать сигналы только в одном направлении.
Анимация 8.4. Потенциал действия вызывает высвобождение нейротрансмиттеров из пресинаптического терминала в синаптическую щель. Затем передатчики действуют на рецепторы нейротрансмиттеров в постсинаптической мембране. «Chemical Synapse — Neurotransmitter Release» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 Международная лицензия. Просмотр статического изображения анимации.
Обсуждая синаптическую передачу, мы сосредоточимся в основном на аксодендритных синапсах, в которых пресинаптические терминальные синапсы располагаются на дендритах постсинаптической клетки. Но синапсы также могут быть расположены между терминалом и телом постсинаптической клетки, называемым аксосоматическим, или даже между терминалом и аксоном постсинаптической клетки, называемым аксоаксоническим.
Рисунок 8.3. А) Аксодендритные синапсы возникают, когда пресинаптический терминал устанавливает синаптическую связь с дендритом постсинаптического нейрона.Б) Аксосоматические синапсы возникают, когда пресинаптический терминал устанавливает синаптическую связь с телом клетки постсинаптического нейрона. C) Аксоаксонические синапсы возникают, когда пресинаптический терминал устанавливает синаптическую связь с аксоном постсинаптического нейрона. «Типы химических синапсов» Кейси Хенли находится под лицензией Creative Commons Attribution Non-Commercial Share-Alike (CC BY-NC-SA) 4.0 International License.
Электрические синапсы устанавливают прямой контакт между нейронами, работают быстрее химических синапсов и могут быть двунаправленными
Химические синапсы образуют синаптическую щель между нейронами и являются однонаправленными
Синапсы могут возникать между пресинаптическим окончанием и постсинаптическими дендритами (аксодендритами), телом клетки (аксосоматическим) или аксоном (аксоаксоническим)

Synapse Определение и значение | Словарь.com
📓 Уровень средней школы
Показывает уровень обучения в зависимости от сложности слова.
[sin-aps, si-naps] SHOW IPA
/ ˈsɪn æps, sɪˈnæps / PHONETIC RESPELLING
Physiology📓 High School Level
Показывает уровень обучения в зависимости от сложности слова.
существительное
область, в которой передаются и принимаются нервные импульсы, охватывающая терминал аксона нейрона, который высвобождает нейротрансмиттеры в ответ на импульс, чрезвычайно маленький промежуток, через который перемещаются нейротрансмиттеры, и прилегающую мембрану аксона, дендрит, мышечная или железистая клетка с соответствующими рецепторными молекулами для улавливания нейротрансмиттеров.
глагол (употребляется без объекта), syn · apsed, syn · aps · ing.
Клеточная биология, физиология. чтобы сформировать синапс или синапс.
ВИКТОРИНА
ВЫ ИСТИННЫЙ СИНИЙ ЧЕМПИОН С ЭТИМИ СИНОНИМАМИ?
Мы могли бы до посинения говорить об этой викторине по словам для цвета «синий», но мы думаем, что вам следует пройти тест и выяснить, хорошо ли вы разбираетесь в этих ярких терминах.
Вопрос 1 из 8
Какое из следующих слов описывает «голубой»?
Происхождение синапса
1895–1900; обратное образование из синапсов, множественное число синапсов
ДРУГИЕ СЛОВА ИЗ синапса
syn · ap · tic [si-nap-tik], / sɪˈnæp tɪk /, syn · ap · ti · cal, прилагательное наречие
Слова рядом с синапсом
синестезия, синагога, синалефа, синалгия, синалоэфа, синапс, синапсид, синапс, синапт, синаптика, синаптическая щель
Словарь.com Несокращенный На основе Несокращенного словаря Random House, © Random House, Inc. 2021
Как использовать синапс в предложении
.expandable-content {display: none;}. Css-12x6sdt.expandable.content-extended> .expandable-content {display: block;}]]>
Исследователи считают, что эти генетические вариации могут быть связаны с потерей синапсов и поведенческими изменениями, наблюдаемыми у людей с шизофренией.
Один из новейших антидепрессантов, одобренный в США, кетамин, также, по-видимому, увеличивает уровень BDNF и способствует росту синапсов в головном мозге, обеспечивая дополнительную поддержку теории нейропластичности.
Точно неизвестно, что ученые обнаружат, поскольку нейрон за синапсом они отображают внутреннюю работу нашего разума, но, похоже, впереди почти все, кроме некоторых великих открытий.
В любой момент у атома будет вероятность находиться в одном состоянии, а другая вероятность — в другом — немного похоже на то, решает ли нейрон сработать или нет, или синапс передаст данные или нет .
Другими словами, если мы заглянем глубоко в мозг, мы обнаружим, что электрохимические срабатывания синапсов, производимые нейронами различных типов, ответственны, как выразился Кох, за ощущение самой жизни. , сознание.
Если вы в то время следили за подобными вещами, возможно, фраза «Отчет Фазы II» выделит один или два синапса.
Разве не все факты на уровне нейронов и синапсов действительно одинаковы?
Что касается Каина, интересно, какой синапс там сработал.
Внутри какофония неоновых вывесок — это пакет стимулов синапсов для вашего отстраненного от смены часовых поясов ума.
Может быть, два нейрона его секретарши сегодня утром не смогут синапсировать, и она их вообще потеряет.
Они передаются от нейрона к нейрону через синапс.
Контакт аксона одного нейрона с дендронами другого называется синапсом.
Место наложения конца одного нейрона на начало другого называется синапсом.
Простейшая рефлекторная дуга состоит из сенсорного нейрона и двигательного нейрона, встречающихся в синапсе в нижнем или рефлекторном центре.
СМОТРЕТЬ БОЛЬШЕ ПРИМЕРОВ СМОТРЕТЬ МЕНЬШЕ ПРИМЕРОВ

популярных статейli {-webkit-flex-base: 49%; — ms-flex-предпочтительный размер: 49%; гибкая основа: 49%;} @media только экран и (max-width: 769px) {.css-2jtp0r> li {-webkit-flex-базис: 49%; — ms-flex-предпочтительный-размер: 49%; гибкий-базис: 49%;}} @ media only screen and (max-width: 480px) { .css-2jtp0r> li {-webkit-flex-base: 100%; — ms-flex-предпочтительный-размер: 100%; flex-base: 100%;}}]]>
Определения синапса в Британском словаре
существительное
точка, в которой нервный импульс передается от терминальной части аксона к дендритам соседнего нейрона
Collins English Dictionary — Complete & Unabridged 2012 Digital Edition © William Collins Sons & Co.Ltd. 1979, 1986 © HarperCollins Издательство 1998, 2000, 2003, 2005, 2006, 2007, 2009, 2012
Медицинские определения синапса
синапс
[сĭнэпс, сĭ-нэпс]
н.
Переход, через который нервный импульс проходит от конца аксона к нейрону, мышечной клетке или клетке железы.
Медицинский словарь American Heritage® Stedman’s Авторские права © 2002, 2001, 1995 компании Houghton Mifflin. Опубликовано компанией Houghton Mifflin.
Научные определения синапса
Небольшое соединение, через которое нервный импульс проходит от одной нервной клетки к другой нервной клетке, мышечной клетке или клетке железы. Синапс состоит из синаптического конца или пресинаптического окончания посылающего нейрона, постсинаптического окончания принимающей клетки, который содержит рецепторные участки, и пространства между ними (синаптическая щель). Синаптический терминал содержит нейротрансмиттеры и клеточные органеллы, включая митохондрии.Электрический импульс в передающем нейроне запускает миграцию везикул, содержащих нейротрансмиттеры, к мембране синаптического окончания. Мембрана везикул сливается с пресинаптической мембраной, и нейротрансмиттеры высвобождаются в синаптическую щель и связываются с рецепторами соединительной клетки, где они возбуждают или подавляют электрические импульсы. См. Также нейромедиатор.
Научный словарь американского наследия® Авторские права © 2011. Издано издательской компанией Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company.Все права защищены.
Культурные определения синапса
Новый словарь культурной грамотности, третье издание Авторские права © 2005 издательской компании Houghton Mifflin Harcourt. Опубликовано Houghton Mifflin Harcourt Publishing Company. Все права защищены.
Прочие — это Readingli {-webkit-flex-base: 100%; — ms-flex-предпочтительный размер: 100%; flex-base: 100%;} @ media only screen и (max-width: 769px) {. Css -1uttx60> li {-webkit-flex-базис: 100%; — ms-flex-предпочтительный-размер: 100%; гибкий-базис: 100%;}} @ экран только мультимедиа и (max-width: 480px) {.css-1uttx60> li {-webkit-flex-base: 100%; — ms-flex-предпочтительный-размер: 100%; flex-base: 100%;}}]]>
Новый «искусственный синапс» становится ближе к имитации Связи между мозгом
Компьютерный компонент, вдохновленный мозгом, обеспечивает наиболее точную имитацию связей между нейронами человеческого мозга, говорят исследователи.
Так называемый мемристор, электрический компонент, сопротивление которого зависит от того, сколько заряда прошло через него в прошлом, имитирует поведение ионов кальция на стыке между двумя нейронами в человеческом мозгу, говорится в исследовании.Это соединение известно как синапс. Исследователи заявили, что новое устройство может привести к значительному прогрессу в области мозговых или нейроморфных компьютеров, которые могут быть намного лучше в задачах восприятия и обучения, чем традиционные компьютеры, а также будут намного более энергоэффективными.
«В прошлом люди использовали такие устройства, как транзисторы и конденсаторы, для моделирования синаптической динамики, которая может работать, но эти устройства очень мало похожи на настоящие биологические системы. Так что это неэффективно, и это приводит к большая площадь устройства, большее энергопотребление и меньшая точность », — сказал руководитель исследования Джошуа Янг, профессор электротехники и компьютерной инженерии Массачусетского университета в Амхерсте.[10 фактов о мозге, которых вы не знали]
Предыдущее исследование показало, что человеческий мозг имеет около 100 миллиардов нейронов и примерно 1 квадриллион (1 миллион миллиардов) синапсов. По мнению ученых, в идеале компьютер, вдохновленный мозгом, должен был бы имитировать огромную вычислительную мощность и эффективность мозга.
«Благодаря синаптической динамике, обеспечиваемой нашим устройством, мы можем имитировать синапс более естественным образом, более прямым способом и с большей точностью», — сказал он Live Science.«Вы не просто моделируете один тип синаптической функции, но [также] другие важные функции и фактически объединяете несколько синаптических функций».
Имитация человеческого мозга
В биологических системах, когда нервный импульс достигает синапса, он вызывает открытие каналов, позволяя ионам кальция проникать в синапс. Это вызывает выброс в мозг химических веществ, известных как нейротрансмиттеры, которые пересекают промежуток между двумя нервными клетками, передавая импульс следующему нейрону.
Новый «диффузионный мемристор», описанный в исследовании, состоит из кластеров наночастиц серебра, внедренных в пленку оксинитрида кремния, зажатую между двумя электродами.
Пленка является изолятором, но при приложении импульса напряжения комбинация нагрева и электрических сил вызывает разрушение кластеров. Наночастицы диффундируют через пленку и в конечном итоге образуют проводящую нить, которая переносит ток от одного электрода к другому. Как только напряжение снимается, температура падает, и наночастицы снова объединяются в кластеры.
Поскольку этот процесс очень похож на то, как ионы кальция ведут себя в биологических синапсах, устройство может имитировать краткосрочную пластичность нейронов, говорят исследователи. Цепочки импульсов низкого напряжения на высоких частотах будут постепенно увеличивать проводимость устройства до тех пор, пока не сможет пройти ток, но если импульсы продолжаются, эта проводимость в конечном итоге снизится. [Сверхразумные машины: 7 роботов будущего]
Исследователи также объединили свой диффузионный мемристор с так называемым дрейфовым мемристором, который полагается на электрические поля, а не на диффузию, и оптимизирован для приложений памяти.Это позволило ученым продемонстрировать форму долговременной пластичности, называемую пластичностью, зависимой от времени спайков (STDP), которая регулирует силу связи между нейронами в зависимости от времени импульсов.
Предыдущие исследования использовали дрейфовые мемристоры сами по себе для аппроксимации динамики кальция. Но эти мемристоры основаны на физических процессах, которые сильно отличаются от процессов в биологических синапсах, что ограничивает их точность и разнообразие возможных синаптических функций, сказал Ян.
«Диффузионный мемристор помогает мемристору дрейфового типа вести себя так же, как настоящий синапс», — сказал Ян. «Объединение этих двух элементов приводит нас к естественной демонстрации STDP, который является очень важным правилом долгосрочного обучения пластичности».
Точное воспроизведение синаптической пластичности необходимо для создания компьютеров, которые могут работать как мозг. Ян сказал, что это желательно, потому что мозг намного компактнее и энергоэффективнее, чем традиционная электроника, а также лучше справляется с такими вещами, как распознавание образов и обучение.«Человеческий мозг по-прежнему остается самым эффективным компьютером из когда-либо созданных», — добавил он.
Как это построить
Ян сказал, что его группа использует производственные процессы, аналогичные тем, которые разрабатывают производители компьютерной памяти, для увеличения производства мемристоров. Не во всех этих процессах можно использовать серебро в качестве материала, но неопубликованные исследования группы показывают, что вместо этого можно использовать наночастицы меди, сказал Ян.
Гипотетически, устройство могло бы быть даже меньше человеческого синапса, потому что ключевая часть устройства имеет размер всего 4 нанометра в поперечнике, сказал Ян.(Для сравнения: средняя прядь человеческого волоса составляет около 100 000 нанометров в ширину.) Это может сделать устройства намного более эффективными, чем традиционная электроника для создания компьютеров, вдохновленных мозгом, добавил Ян. Традиционной электронике требуется примерно 10 транзисторов для имитации одного синапса.
Это исследование является наиболее полной демонстрацией искусственного синапса с точки зрения разнообразия функций, на которые он способен, сказал эксперт по нейроморфным вычислениям Илья Валов, старший научный сотрудник Института Питера Грюнберга в Исследовательском центре Юлиха в Германии.
Он сказал, что этот подход определенно масштабируем, и единичные системы, безусловно, должны быть в состоянии опуститься до масштаба биологических синапсов. Но он добавил, что в многоблочных системах устройства, вероятно, должны быть большего размера из-за практических соображений, связанных с обеспечением работы более крупной системы.
Результаты исследования были опубликованы в Интернете сегодня (26 сентября) в журнале Nature Materials.
Copyright 2016 LiveScience, компания Purch. Все права защищены.Этот материал нельзя публиковать, транслировать, переписывать или распространять.
Объяснитель: Что такое нейротрансмиссия? | Новости науки для студентов
Когда двум нервным клеткам необходимо общаться, они не могут просто постучать друг друга по плечу. Эти нейронов передают информацию от одного конца своего «тела» к другому в виде крошечного электрического сигнала. Но одна клетка на самом деле не касается другой, и сигналы не могут перепрыгивать через крошечные промежутки между ними. Чтобы преодолеть эти крошечные промежутки, называемые синапсами , они полагаются на химические посредники.Эти химические вещества известны как нейротрансмиттеров . И их роль в разговоре между клетками называется нейротрансмиссией , .
Когда электрический сигнал достигает конца нейрона, он запускает высвобождение крошечных мешочков, которые были внутри клеток. Эти мешочки, называемые везикулами, содержат химические посредники, такие как дофамин, (DOAP-uh-meen) или серотонин, (Sair-uh-TOE-nin).
При движении через нервную клетку электрический сигнал будет стимулировать эти мешочки.Затем везикулы перемещаются к внешней мембране своей клетки и сливаются с ней. Оттуда они проливают свои химические вещества в синапс.
Эти освобожденные нейротрансмиттеры затем плавают через промежуток и попадают в соседнюю клетку. Эта новая клетка имеет рецепторов, указывающих на синапс. Эти рецепторы содержат карманы, в которые должен поместиться нейромедиатор.
Нейромедиатор присоединяется к соответствующему рецептору, как ключ к замку. И по мере того, как химическое вещество-посланник входит, форма рецептора меняется.Это изменение может открыть канал в ячейке, позволяя заряженным частицам входить или выходить. Изменение формы также может запускать другие действия внутри ячейки.
Если химический посланник связывается с определенным типом рецептора, электрические сигналы будут проходить по всей длине его клетки. Это перемещает сигнал по нейрону. Но нейротрансмиттеры также могут связываться с рецепторами, которые блокируют электрический сигнал. Это остановит сообщение, заставив его замолчать.
История продолжается под видео.
<br/> Это видео показывает, как нейроны взаимодействуют друг с другом.
Neuroscientifically Challenged
Сигналы для всех наших ощущений, включая осязание, зрение и слух, передаются таким образом. То же самое и с нервными сигналами, контролирующими движения, мысли и эмоции.
Каждое межклеточное реле в мозгу занимает менее одной миллионной секунды. И это реле будет повторяться до тех пор, пока сообщение должно пройти. Но не все клетки общаются с одинаковой скоростью.Некоторые говорят относительно медленно. Например, самые медленные нервные клетки (те, что в сердце, которые помогают регулировать его биение) перемещаются со скоростью около одного метра (3,3 фута) в секунду. Самые быстрые — клетки, которые определяют положение ваших мышц, когда вы ходите, бегаете, печатаете или делаете сальто назад — бегают со скоростью около 100 метров в секунду! Дайте кому-нибудь пять, и мозг — примерно в метре от вас — получит сообщение всего на одну сотую секунды позже.
Теперь ЭТО Синапс
Каждый раз, когда я читаю о синапсе, важнейшем соединении двух нейронов, мне в голову приходит рисунок выше.Это показывает суть того, как работает синапс: электрический импульс входит в ячейку слева и активирует эти маленькие синие шарики, называемые пузырьками, для высвобождения их химического содержимого, называемого нейротрансмиттерами. Нейромедиаторы выходят в пространство между клетками, называемое щелью, и активируют синие прямоугольники, называемые ионными каналами. Каналы запускают ячейку справа, чтобы запустить свой собственный электрический импульс или потенциал действия, и это сообщение переходит к следующей ячейке. Довольно аккуратно.Наш мозг наполнен триллионами синапсов, каждый из которых способен преобразовывать электрический сигнал в химический и обратно.
Мой рисунок концептуально полезен для понимания многих исследований в области нейробиологии. Это помогло мне, например, визуализировать, как исследователи записывают сообщения клеток мозга, и как синапсы играют роль в нарушениях развития, и как схемы активации всех этих синапсов обеспечивают наш мозг сложной схемой кодирования.
Обратной стороной мультипликационного синапса является то, что он производит ложное впечатление.Создается впечатление, что синапс прост и понятен, хотя на самом деле это в основном сбивает с толку. О его сложности мне напомнило исследование, опубликованное в сегодняшнем выпуске журнала Science. Исследователи из Германии использовали ряд методов, включая вестерн-блоттинг, масс-спектрометрию, электронную микроскопию и флуоресцентную микроскопию сверхвысокого разрешения, чтобы создать трехмерную модель типичного синапса в мозге взрослой крысы. На видео ниже вы увидите, что их новая модель не очень похожа на мой рисунок:
Чтобы получить максимальную отдачу от видео, нажмите на белые стрелки в правом нижнем углу, которые полностью развернут его. экран.На видео показан синаптический бутон, который является левой частью моего мультфильма. Светящаяся красная «активная зона» внизу — это место, где нейромедиаторы сбрасываются в расщелину. Ближе к концу видео вы можете увидеть крупный план пузырька, который высвобождает свое содержимое, а затем перерабатывается клеткой.
Модель показывает около 300 000 отдельных белков, и помните — все они находятся в одном синапсе! На изображении ниже показано поперечное сечение бутона; каждый цвет соответствует разному типу белка.Активная зона — это снова светящаяся красная часть внизу.
Wilhelm et al., Science 2014
Пожалуйста, соблюдайте авторские права. Несанкционированное использование запрещено.
(Нажмите, чтобы увеличить)
Чаще всего нейробиологи (и, следовательно, научные писатели, освещающие нейробиологию) склонны сосредотачиваться на одном белке за раз. Например, я написал об этом зеленом парвальбумине, потому что в определенных нейронах белок, кажется, запускает высокочастотные мозговые волны, которые связаны с познанием.И этот красный SNAP-25 был связан с СДВГ, а желтый VDAC был предложен в качестве хорошей мишени для химиотерапевтических препаратов.
Единственный способ распутать эту сложную картину — сосредоточиться на ее отдельных компонентах, разбираясь по частям.
No related posts.

Синапс — это… Что такое Синапс?

Структура синапса

Классификации синапсов

Механизм функционирования химического синапса

История открытия

Ссылки

Примечания

См. также

Синапс — это… Что такое Синапс?

Структура синапса

Классификации синапсов

Механизм функционирования химического синапса

История открытия

Ссылки

Примечания

См. также

The Synapse | Protocol (Translated to Russian)

18.6: Синапс

Искусственные синапсы. Инженер Виктор Ерохин об искусственных нейронных сетях, синаптическом обучении и восстановлении работы спинного мозга

Мозг и компьютер

Правило Хебба — изменение синаптических связей

Перцептрон: искусственные нейронные сети

Синаптическое обучение

Материалы для искусственных синапсов

Будущее искусственных синапсов

Почему мозг — не компьютер

Нейроморфные компьютеры думают со скоростью света / Наука / Независимая газета

Ученые выяснили, как можно замедлить старение мозга — Наука

Итоги эксперимента

синапсов | Анатомия и физиология I

Введение в синапсы

Ячейки синапсов

Трансмиссия Synapse

Эффекты нейротрансмиттера

Холинергические рецепторы

Синаптические потенциалы

EPSP

IPSP

Классы нейротрансмиттеров

Связь

Как нейроны взаимодействуют друг с другом?

Синаптическая передача может быть возбуждающим или тормозящим

Структура синапсов — основы неврологии

Электрооборудование

Химическая промышленность

Synapse Определение и значение | Словарь.com

Происхождение синапса

ДРУГИЕ СЛОВА ИЗ синапса

Слова рядом с синапсом

Как использовать синапс в предложении

Определения синапса в Британском словаре

Медицинские определения синапса

Научные определения синапса

Культурные определения синапса

Новый «искусственный синапс» становится ближе к имитации Связи между мозгом

Имитация человеческого мозга

Как это построить

Объяснитель: Что такое нейротрансмиссия? | Новости науки для студентов

Теперь ЭТО Синапс

Написать ответ Отменить ответ