Как работает наш мозг или как смоделировать душу? / Хабр
Здравствуй, Geektimes! В ранее опубликованной статье, была представлена модель нервной системы, опишу теорию и принципы, которые легли в её основу.
Теория основана на анализе имеющейся информации о биологическом нейроне и нервной системе из современной нейробиологии и физиологии мозга.
Сначала приведу краткую информацию об объекте моделирования, вся информация изложена далее, учтена и использована в модели.
Нейрон является основным функциональным элементом нервной системы, он состоит из тела нервной клетки и её отростков. Существуют два вида отростков: аксоны и дендриты. Аксон – длинный покрытый миелиновой оболочкой отросток, предназначенный для передачи нервного импульса на далекие расстояния. Дендрит – короткий, ветвящийся отросток, благодаря которым происходит взаимосвязь с множеством соседних клеток.
ТРИ ТИПА НЕЙРОНОВ Нейроны могут сильно отличаться по форме, размерам и конфигурации, не смотря на это, отмечается принципиальное сходство нервной ткани в различных участках нервной системе, отсутствуют и серьезные эволюционные различия.
Нервная клетка моллюска Аплизии может выделять такие же нейромедиаторы и белки, что и клетка человека.
В зависимости от конфигурации выделяют три типа нейронов:
а) рецепторные, центростремительные, или афферентные нейроны, данные нейроны имеют центростремительный аксон, на конце которого имеются рецепторы, рецепторные или афферентные окончания. Эти нейроны можно определить, как элементы, передающие внешние сигналы в систему.
б) интернейроны (вставочные, контактные, или промежуточные) нейроны, не имеющие длинных отростков, но имеющие только дендриты. Таких нейронов в человеческом мозгу больше чем остальных. Данный вид нейронов является основным элементом рефлекторной дуги.
в) моторные, центробежные, или эфферентные, они имеют центростремительный аксон, который имеет эфферентные окончания передающий возбуждение мышечным или железистым клеткам. Эфферентные нейроны служат для передачи сигналов из нервной среды во внешнюю среду.
Обычно в статьях по искусственным нейронным сетям оговаривается наличие только моторных нейронов (с центробежным аксоном), которые связаны в слои иерархической структуры. Подобное описание применимо к биологической нервной системе, но является своего рода частным случаем, речь идет о структурах, базовых условных рефлексов. Чем выше в эволюционном значении нервная система, тем меньше в ней превалируют структуры типа «слои» или строгая иерархия.
ПЕРЕДАЧА НЕРВНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯПередача возбуждения происходит от нейрона к нейрону, через специальные утолщения на концах дендритов, называемых синапсами. По типу передачи синапсы разделяют на два вида: химические и электрические. Электрические синапсы передают нервный импульс непосредственно через место контакта. Таких синапсов в нервных системах очень мало, в моделях не будут учитываться. Химические синапсы передают нервный импульс посредством специального вещества медиатора (нейромедиатора, нейротрансмиттера), данный вид синапса широко распространен и подразумевает вариативность в работе.
Важно отметить, что в биологическом нейроне постоянно происходят изменения, отращиваются новые дендриты и синапсы, возможны миграции нейронов. В местах контактов с другими нейронами образуются новообразования, для передающего нейрона — это синапс, для принимающего — это постсинаптическая мембрана, снабжаемая специальными рецепторами, реагирующими на медиатор, то есть можно говорить, что мембрана нейрона — это приемник, а синапсы на дендритах — это передатчики сигнала.
При активации синапса он выбрасывает порции медиатора, эти порции могут варьироваться, чем больше выделится медиатора, тем вероятнее, что принимаемая сигнал нервная клетка будет активирована. Медиатор, преодолевая синоптическую щель, попадает на постсинаптическую мембрану, на которой расположены рецепторы, реагирующие на медиатор. Далее медиатор может быть разрушен специальным разрушающим ферментом, либо поглощен обратно синапсом, это происходит для сокращения времени действия медиатора на рецепторы.
Синапсов связывающих нейрон с одной и той же целевой клеткой, может быть множество. Для упрощения примем, всю совокупность, оказываемого воздействия одним нейроном, на другой целевой нейрон за синапс с определённой силой воздействия. Главной характеристикой синапса будет, является его сила.СОСТОЯНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ НЕЙРОНА
В состоянии покоя мембрана нейрона поляризована. Это означает, что по обе стороны мембраны располагаются частицы, несущие противоположные заряды. В состоянии покоя наружная поверхность мембраны заряжена положительно, внутренняя – отрицательно. Основными переносчиками зарядов в организме являются ионы натрия (Na+), калия (K+) и хлора (Cl-).
Разница между зарядами поверхности мембраны и внутри тела клетки составляет мембранный потенциал. Медиатор вызывает нарушения поляризации – деполяризацию. Положительные ионы снаружи мембраны устремляются через открытые каналы в тело клетки, меняя соотношение зарядов между поверхностью мембраны и телом клетки.
Изменение мембранного потенциала при возбуждении нейрона
Характер изменений мембранного потенциала при активации нервной ткани неизменен. Независимо от того кокой силы воздействия оказывается на нейрон, если сила превышает некоторое пороговое значение, ответ будет одинаков.
Итак, далее приведу теоретические предположения, которые позволят нам создавать математические модели. Главная идея заключается во взаимодействии между зарядами формирующихся внутри тела клетки, во время её активности, и зарядами с поверхностей мембран других активных клеток. Данные заряды являются разноименными, в связи этим можно предположить, как будут располагаться заряды в теле клетки под воздействием зарядов других активных клеток.
Можно сказать, что нейрон чувствует активность других нейронов на расстоянии, стремится направить распространения возбуждения в направлении других активных участков.
В момент активности нейрона можно рассчитать определённую точку в пространстве, которая определялась бы, как сумма масс зарядов, расположенных на поверхностях других нейронов. Указанную точку назовем точкой паттерна, её месторождение зависит от комбинации фаз активности всех нейронов нервной системы. Паттерном в физиологии нервной системы называется уникальная комбинация активных клеток, то есть можно говорить о влиянии возбуждённых участков мозга на работу отдельного нейрона.
Какое же направление для передачи возбуждения является предпочтительным? В различных экспериментах связанных с образованием безусловных рефлексов, можно определить, что в нервной системе образуются пути или рефлекторные дуги, которые связывают активируемые участки мозга при формировании безусловных рефлексов, создаются ассоциативные связи. Значит, нейрон должен передавать возбуждения к другим активным участкам мозга, запоминать направление и использовать его в дальнейшем.
Представим вектор начало, которого находится в центре активной клети, а конец направлен в точку паттерна определённую для данного нейрона. Обозначим, как вектор предпочитаемого направления распространения возбуждения (T, trend). В биологическом нейроне вектор Т может проявляться в структуре самой нейроплазмы, возможно, это каналы для движения ионов в теле клетки, или другие изменения в структуре нейрона.
Этот вектор в свою очередь оказывает влияние на работу синапсов нейрона. Для каждого синапса определим вектор S начало, которого находится в центре клетки, а конец направлен в центр целевого нейрона, с которым связан синапс. Теперь степень влияния для каждого синапса можно определить следующим образом: чем меньше угол между вектором T и S, тем больше синапс будет, усиливается; чем меньше угол, тем сильнее синапс будет ослабевать и возможно может прекратить передачу возбуждения. Каждый синапс имеет независимое свойство памяти, он помнит значение своей силы. Указанные значения изменяются при каждой активизации нейрона, под влиянием вектора Т, они либо увеличиваются, либо уменьшаются на определённое значение.
Входные сигналы (x1, x2,…xn) нейрона представляют собой вещественные числа, которые характеризуют силу синапсов нейронов, оказывающих воздействие на нейрон.
Положительное значение входа означает побудительное воздействие, оказываемое на нейрон, а отрицательное значение – тормозящее воздействие.
Результат сумматора проходит пороговую функцию (б), если сумма превосходит пороговое значение, то это приводит к активности нейрона.
При активации нейрон сигнализирует о своей активности системе, передовая информацию о своём положении в пространстве нервной системы и заряде, изменяемом во времени (в).
Через определённое время, после активации нейрон передает возбуждение по всем имеющимся синапсам, предварительно производя пересчет их силы. Весь период активации нейрон перестает реагировать на внешние раздражители, то есть все воздействия синапсов других нейронов игнорируются. В период активации входит так же период восстановления нейрона.
Происходит корректировка вектора Т (г) с учётом значения точки паттерна Pp и уровнем нейропластичности. Далее происходит переоценка значений всех сил синапсов в нейроне(д).
Обратите внимание, что блоки (г) и (д) выполняются параллельно с блоком (в).ЭФФЕКТ ВОЛНЫ
Если внимательно проанализировать предложенную модель, то можно увидеть, что источник возбуждения должен оказывать большее влияние на нейрон, чем другой удалённый, активный участок мозга. Следовательно возникает вопрос: почему же все равно происходит передача в направлении другого активного участка?
Данную проблему я смог определить, только создав компьютерную модель. Решение подсказал график изменения мембранного потенциала при активности нейрона.
Усиленная реполяризация нейрона, как говорилось ранее, имеет важное значение для нервной системы, благодаря ей создается эффект волны, стремление нервного возбуждения распространятся от источника возбуждения.
При работе с моделью я наблюдал два эффекта, ели пренебречь следовым потенциалом или сделать его недостаточно большим, то возбуждение не распространяется от источников, а в большей степени стремится к локализации. Если сделать следовой потенциал сильно большим, то возбуждение стремится «разбежаться» в разные стороны, не только от своего источника, но и от других.
КОГНИТИВНАЯ КАРТАИспользуя теорию электромагнитного взаимодействия, можно объяснить многие явления и сложные процессы, протекающие в нервной системе. К примеру, одним из последних открытий, которое широко обсуждается в науках о мозге, является открытие когнитивных карт в гиппокампе.
Гиппокамп – это отдел мозга, которому отвечает за кратковременную память. Эксперименты на крысах выявили, что определённому месту в лабиринте соответствует своя локализованная группа клеток в гиппокампе, причем, не имеет значение, как животное попадает в это место, все равно будет активирован соответствующий этому месту участок нервной ткани. Естественно, животное должно помнить данный лабиринт, не стоит рассчитывать на топологическое соответствие пространства лабиринта и когнитивной карты.
Каждое место в лабиринте представляется в мозге, как совокупность раздражителей различного характера: запахи, цвет стен, возможные примечательные объекты, характерные звуки и т. д. Указанные раздражители отражаются на коре, различных представительствах органов чувств, в виде всплесков активности в определённых комбинациях. Мозг одновременно обрабатывает информацию в нескольких отделах, зачастую информационные каналы разделяются, одна и та же информация поступает в различные участки мозга.
Активация нейронов места в зависимости от положения в лабиринте (активность разных нейронов показана разным цветом). источник
Гиппокамп расположен в центре мозга, вся кара и её области удалены от него, на одинаковые расстояния. Если определить для каждой уникальной комбинации раздражителей точку масс зарядов поверхностей нейронов, то можно увидеть, что указанные точки будут различны, и будут находиться примерно в центре мозга. К этим точкам будет стремиться и распространятся возбуждение в гиппокампе, формируя устойчивые участки возбуждения. Более того, поочередная смена комбинаций раздражителей, будет приводить к смещению точки паттерна. Участки когнитивной карты будут ассоциативно связываться друг с другом последовательно, что приведет к тому, что животное, помещенное в начало знакомого ей лабиринта, может вспомнить весь последующий путь.
ЗаключениеУ многих возникнет вопрос, где в данной работе предпосылки к элементу разумности или проявления высшей интеллектуальной деятельности?
Важно отметить, что феномен человеческого поведения, есть следствие функционирования биологической структуры. Следовательно, чтобы имитировать разумное поведение, необходимо хорошо понимать принципы и особенности функционирования биологических структур. К сожалению, в науке биологии пока не представлен четкий алгоритм: как работает нейрон, как понимает, куда необходимо отращивать свои дендриты, как настроить свои синапсы, что бы в нервной системе смог сформироваться простой условный рефлекс, на подобие тех, которые демонстрировал и описывал в своих работах академик И.П. Павлов.
С другой стороны в науке об искусственном интеллекте, в восходящем (биологическом) подходе, сложилось парадоксальная ситуация, а именно: когда используемые в исследованиях модели основаны на устаревших представлениях о биологическом нейроне, консерватизм, в основе которого берётся персептрон без переосмысления его основных принципов, без обращения к биологическому первоисточнику, придумывается все более хитроумные алгоритмы и структуры, не имеющих биологических корней.
Конечно, никто не уменьшает достоинств классических нейронных сетей, которые дали множество полезных программных продуктов, но игра с ними не является путем к созданию интеллектуально действующей системы.
Более того, не редки заявления, о том, что нейрон подобен мощной вычислительной машине, приписывают свойство квантовых компьютеров. Из-за этой сверхсложности, нервной системе приписывается невозможность её повторения, ведь это соизмеримо с желанием смоделировать человеческую душу. Однако, в реальности природа идет по пути простоты и элегантности своих решений, перемещение зарядов на мембране клетки может служить, как для передачи нервного возбуждения, так и для трансляции информации о том, где происходит данная передача.
Несмотря на то, что указанная работа демонстрирует, как образуются элементарные условные рефлексы в нервной системе, она приближает к пониманию того, что такое интеллект и разумная деятельность.
Существуют еще множество аспектов работы нервной системы: механизмы торможения, принципы построения эмоций, организация безусловных рефлексов и обучение, без которых невозможно построить качественную модель нервной системы. Есть понимание, на интуитивном уровне, как работает нервная система, принципы которой возможно воплотить в моделях.
Создание первой модели помогли отработать и откорректировать представление об электромагнитном взаимодействии нейронов. Понять, как происходит формирование рефлекторных дуг, как каждый отдельный нейрон понимает, каким образом ему настроить свои синапсы для получения ассоциативных связей.
На данный момент я начал разрабатывать новую версию программы, которая позволит смоделировать многие другие аспекты работы нейрона и нервной системы.
Прошу принять активное участие в обсуждении выдвинутых здесь гипотез и предположений, так как я могу относиться к своим идеям предвзято. Ваше мнение очень важно для меня.
Нервная ткань
Группы клеток и межклеточное вещество, имеющие сходное строение и происхождение, выполняющие общие функции, называются тканями. Каждый орган состоит из нескольких тканей, но одна из них, как правило, преобладает. Межклеточное вещество тоже может быть однородным, как у хряща, но может включать различные структурные образования в виде эластичных лент, нитей, придающих тканям эластичность и упругость.
Нервная ткань реагирует на раздражение вырабатывает нервные импульсы — электрохимические сигналы. С их помощью она регулирует работу клеток, связанных с нею. Нервная ткань обладает главными свойствами возбудимостью и проводимостью: при возбуждение проводит нервные импульсы.
Нервная ткань включает два типа клеток: собственно нервные клетки — нейроны и вспомогательные клетки — нейроглии. Главная особенность нейронов — высокая возбудимость. Они получают сигналы из внешней и внутренней среды организма, проводят и перерабатывают их, что необходимо для управления работой органов. Нейроны собраны в очень сложные и многочисленные цепи, которые необходимы для получения, переработки, хранения и использования информации. Нейроглия выполняет ряд вспомогательных функций. Например, питательное вещества из кровеносного сосуда поступают сначала в клетки нейроглии, там перерабатываются и только после этого попадают в нейроны. Клетки нейроглии выполняют и опорную роль, механически поддерживая нейроны.
Нейрон состоит из тела и отростков. В теле нейрона находится ядро с округлыми ядрышками. Отростки нейрона различаются по строению, форме и функциям.
Дендрит — отросток, передающий возбуждение к телу нейрона. Чаще всего у нейрона несколько коротких разветвленных дендритов. Однако бывают нейроны, у которых имеется только один длинный дендрит.
Аксон — это длинный и единственный отросток, который передает информацию от тела нейрона к следующему нейрону или к рабочему органу. Аксон ветвится только на конце, образуя короткие веточки — терминали. Часть длинного отростка дендрита или аксона, покрытая оболочками называется нервным волокном.
Синапсы образуется в местах контакта аксона с клетками, которым он передает информацию. Эти участки аксона несколько утолщены, так как содержат пузырьки с раздражающей жидкостью. Когда нервные импульсы доходя до синапса, пузырьки лопаются, жидкость изливается в синаптическую щель и воздействует на оболочку клетки, принимающей информацию. Это может быть другой нейрон, мышечная или желизистая клетка. В зависимости от состава и количества биологически активных веществ, содержащихся в жидкости, принимающая информацию клетка может возбудиться и усилить свою работу, либо затормозиться — ослабить или вовсе прекратить её.
Воспринимающие информацию клетки обычно имеют много синапсов. Через одни из них они получают стимулирующие сигналы, через другие — отрицательные, тормозные. Все эти сигналы суммируются, после чего следует изменение работы.
Другие заметки по биологии
Дендриты важнее для мозга, чем ранее считалось — Наука
Нервная клетка — нейрон — имеет сложную структуру и состоит из тела (сомы) и отростков — аксона и нескольких дендритов. Аксон — передающий отросток, через него импульс идет от тела клетки к другому нейрону. Дендриты — принимающие отростки, они собирают импульсы от других нейронов и передают их телу нейрона. Как сегодня известно, дендриты составляют почти 90% нервной ткани. И новое исследование показывает, какую большую роль на самом деле играют дендриты в работе мозга и нервной системы.
Ранее ученые предполагали, что главную роль в генерировании и обработке импульсов играет именно тело нервной клетки. Дендритам ранее отводилась функция простых проводников. Новая работа американских ученых показала, что дендриты сами могут генерировать импульс. Это первое исследование такого рода. До этого считалось, что электрическая активность дендритов зависела от электрической активности тела нейрона-передатчика: какой импульс вышел из нейрона, такой и пройдет по дендриту.
Нейробиологи использовали современные технологии, позволяющие ввести микроэлектроды, показывающие электрическую активность, не в сам дендрит, а рядом с ним. Ранее электроды могли вводить лишь в сам дендрит, после чего нейрон погибал. Новая технология позволила наконец измерить электрическую активность самих дендритов. Ученые в течение нескольких дней наблюдали за дендритами задней теменной коры крыс, которые двигались, гуляя по клетке. Именно задняя теменная кора была выбрана не случайно, ее основная функция — это координация движений.
Сравнение активности нейронных тел и дендритов показало, что отростки работают намного интенсивнее: по сравнению с нейронными телами они генерировали в десять раз больше импульсов во время бодрствования и в пять раз больше — во время сна. Более того, как говорят ученые, дендрит непосредственным образом участвует в начальном зарождении импульса. И если нейрон генерирует импульс по принципу «есть-нет» (то есть импульс либо есть, либо нет), что похоже на цифровую кодировку информации, то дендрит, как оказалось, работает несколько иначе — по аналоговому принципу, то есть сигнал в нем может меняться в определенном диапазоне.
«Фундаментальное представление нейробиологии заключалась в том, что нейроны работают по цифровому принципу. Они либо генерируют импульс, либо нет. Наши результаты показывают, что дендриты не ведут себя исключительно как цифровое устройство. Они могут генерировать цифровые, «да-нет»-импульсы, но они также показывают большие аналоговые колебания. Это серьезный отход от того, что неврологи полагают уже около 60 лет», — резюмировали свою работу исследователи.
Исследование опубликовано в журнале Science.
Ранее ученые обнаружили, какие нарушения в строении нейронов ведут к рассеянному склерозу.
Евгения Щербина
Миелиновая защита нейрона: всё начинается до рождения
С детства мы слышим, что нервные клетки не восстанавливаются. И хотя вопрос о возможности образования новых нейронов во взрослом мозге до сих пор открыт, уже есть данные, что процесс нейрогенеза у человека продолжается до глубокой старости. Любые нарушения в развитии нервных клеток могут приводить к серьезным, иногда необратимым патологиям. Одним из таких нарушений являются дефекты в защитной изоляционной оболочке (миелине) отростков нервных клеток, которые могут формироваться у человека еще до его рождения. Их практически невозможно диагностировать с помощью традиционных методов визуализации.
В мозге человека в среднем содержится около 100 млрд нейронов, которые принимают, хранят, обрабатывают и передают информацию с помощью электрических и химических сигналов. Взаимодействие между нейроном и другими нервными клетками и органами происходит с помощью коротких (дендриты) и длинного (аксон) отростков.
Каждый аксон, подобно проводу, покрыт изоляционным материалом — миелиновой оболочкой, которая обеспечивает более высокую скорость прохождения нервных импульсов и защищает нервные волокна от повреждений. Кроме того, эта оболочка несет опорную функцию, а также, по последним данным, служит для аксона, нуждающегося в большом количестве энергии, своего рода «заправочной станцией».
Аксон — главный «кабель» нейрона, покрытый миелиновой оболочкой. Он отдаленно напоминает линию электропередач с цепочкой изоляторов. Цель оболочки, которую формируют специальные обслуживающие клетки (олигодендроциты либо клетки Шванна), — обеспечить передачу электрических импульсов без потерь и с максимальной скоростью. © Servier Medical Art. Слева — аксоны седалищных нервов мыши (красные), обернутые клетками Шванна (зеленые, ядра — синие). Фото A. Alvarez-Prats и T. Balla. © Eunice Kennedy Shriver / National Institute of Child Health and Human Development / NIH
Все повреждения миелиновой оболочки или дефекты, возникшие в период ее формирования, приводят к серьезным, иногда неизлечимым заболеваниям. Среди них наиболее известен рассеянный склероз — хроническое аутоиммунное заболевание, поражающее преимущественно молодых людей.
Разрушается миелин и при инсультах, которые встречаются не только у взрослых (в первую очередь, как принято считать, у пожилых людей), но и у детей, включая нерожденных. Внутриутробный инсульт чаще всего случается после 28-й недели беременности, у детей — через месяц после рождения. Инсульт у плода приводит к развитию пороков головного мозга, а у детей может вызвать детский церебральный паралич в раннем возрасте.
При этом о «качестве» миелинизации головного мозга конкретного человека мы сегодня судим лишь по косвенным клиническим симптомам или данным магнитно-резонансной томографии (МРТ), с помощью которой обычно удается обнаруживать дефекты миелина уже на поздней, часто необратимой стадии.
В головном мозге миелиновую оболочку создают олигодендроциты, в периферической нервной системе — клетки Шванна. Каждый олигодендроцит образует несколько «ножек», которые неоднократно «оборачиваются» вокруг части какого-нибудь аксона (внизу). В результате один олигодендроцит оказывается связан с несколькими нейронами. © Servier Medical Art. Вверху — олигодедроциты в культуре (красные, ядра — сиреневые). © jakeyoung64
Не все знают, что миелин — это множество слоев клеточной мембраны, много раз «намотанных» на аксон. Формируется миелин плоскими выростами «служебных» глиальных клеток, цитоплазма в которых практически отсутствует. Миелиновая оболочка не непрерывна, а дискретна, с промежутками (перехватами Ранвье). Поэтому аксон обладает более быстрой скачкообразной проводимостью: скорость прохождения сигнала по волокнам с миелином и без него может отличаться в сотни раз. Что касается молекулярного состава «изолятора», то он, как и все клеточные мембраны, состоит преимущественно из липидов и белков.
Дефекты нервной «изоляции»
Развитие мозга плода — сложный процесс, при котором происходят быстрые перестройки морфологии и микроструктуры нервной ткани. В некоторых зонах мозга процесс формирования миелина начинается уже с 18–20-й недели беременности, а продолжается приблизительно до десятилетнего возраста.
Именно нарушения миелинизации часто лежат в основе задержек физического и умственного развития ребенка, а также служат причиной формирования ряда неврологических и психиатрических патологий. Помимо заболеваний, таких как инсульт, задержки развития головного мозга плода с нарушением миелинизации иногда наблюдаются и при многоплодной беременности. При этом десинхронизацию в развитии мозга близнецов оценить «на глаз» довольно сложно.
Но как выявить дефекты миелина в период внутриутробного развития? В настоящее время акушеры-гинекологи пользуются только биометрическими показателями (например, размером мозга), однако они обладают высокой изменчивостью и не дают полной картины. В педиатрии даже при наличии явных функциональных отклонений в мозговой деятельности ребенка традиционные изображения МРТ или нейросонографии (ультразвукового исследования головного мозга новорожденных) часто не показывают структурные отклонения.
Поэтому поиск точных количественных критериев оценки формирования миелина во время беременности является актуальной задачей, которую к тому же нужно решить с помощью неинзвазивных диагностических методов, уже апробированных в акушерстве. Специалисты из новосибирского Международного томографического центра СО РАН предложили использовать для этих целей новый метод количественной нейровизуализации, уже адаптированный для дородовых (пренатальных) исследований.
На обычном томографе
Любая патология головного мозга плода, которую подозревают врачи во время ультразвукового обследования беременной, обычно является показанием к проведению МРТ; подобные исследования проводятся в МТЦ СО РАН уже более десяти лет. Результаты МРТ могут подтвердить, уточнить, опровергнуть либо вообще изменить предварительный диагноз и, соответственно, тактику ведения беременности.Дело в том, что количество миелина и размеры отдельных структур головного мозга у эмбриона настолько малы, что любые измерения очень сложны и трудоемки. К тому же плод постоянно шевелится, что очень затрудняет получение качественных изображений и достоверных количественных данных. Поэтому нужна технология, позволяющая получать изображения быстро и с высокой разрешающей способностью даже на маленьких объектах.
Именно таким оказался метод быстрого картирования макромолекулярной протонной фракции (МПФ) — биофизического параметра, который описывает долю протонов в макромолекулах тканей, вовлеченных в формирование МРТ-сигнала, тогда как обычно источником сигнала являются протоны, содержащиеся в воде (Yarnykh, 2012; Yarnykh et al., 2015).
Метод макромолекулярной протонной фракции (МПФ) основан на эффекте переноса намагниченности, когда протоны свободной воды «обмениваются» намагниченностью с протонами малоподвижных макромолекул, таких как белки. Скорость этого процесса влияет на величину детектируемого сигнала МРТ и зависит от площади взаимодействия макромолекулярной фракции и воды
В основе метода лежит специализированная процедура математической обработки МРТ-изображений, которая позволяет вычленить компоненты сигнала, связанные с МПФ клеточных мембран. А в головном мозге человека и животных основная их часть содержится именно в миелине. Реконструируются карты МПФ на основе исходных данных, которые могут быть получены практически на любом клиническом томографе.
Для реконструкции карт МПФ используются четыре исходных изображения, полученные различными традиционными методами МРТ. Правильность такого подхода подтвердили результаты его апробации на лабораторных животных в Томском государственном университете: у мышей, которым вводили раствор, вызывающий разрушение миелина, результаты МПФ-картирования совпали с данными гистологического исследования тканей (Khodanovich et al., 2017).
Миелин — в норме и патологии
Пилотные исследования, выполненные в рамках клинических диагностических МРТ-обследований эмбрионов возрастом от 20 недель и старше, показали, что новая технология позволяет за небольшое (менее 5 мин.) время сканирования выявить очень малые количества миелина.
Они также подтвердили способность метода надежно оценивать пространственно-временные «траектории развития» миелина в различных структурах мозга. Судя по результатам исследования, в центральных структурах (стволовых, таламусе, мозжечке) процесс миелинизации начинается раньше, а ее степень пропорциональна возрасту. При этом в белом веществе полушарий головного мозга миелин в дородовом периоде практически не обнаруживается (Yarnykh, Prihod’ko, Savelov et al., 2018). Полученные новым неивазивным методом результаты хорошо согласуются с уже известными патоморфологическими данными.
Карта МПФ (д) реконструируется с помощью специальной математической программы из четырех видов исходных изображений: в режиме переноса намагниченности (а) и протонной плотности (б), референсного (в) и анатомического (г), которые можно получить на обычном томографе
Кроме того, оказалось, что изображения, полученные с помощью новой технологии, являются наиболее информативными для внутриутробной диагностики одного из видов медуллобластомы — врожденной злокачественной опухоли мозжечка. У плода опухоль не удалось отчетливо выявить с помощью традиционного МРТ-обследования, однако она хорошо прослеживалась с использованием количественного метода МПФ.
Дело в том, что у плода показатель МПФ для ткани медуллобластомы вдвое выше значений для окружающей здоровой ткани из-за более высокого содержания в опухоли фибриллярного белка коллагена соединительной ткани, которая широко представлена в этом виде опухоли. После рождения и до полутора лет эти различия сглаживались из-за нарастающей миелинизации мозжечка, в то время как значения МПФ в опухоли оставались практически неизменными.
Наиболее высокие значения МФП и, соответственно, степени миелинизации выявлены в стволовых структурах головного мозга плода. Меньшие значения МПФ обнаружены в таламусе и мозжечке, а минимальные — в полушариях головного мозга. При этом количество миелина в центральных мозговых структурах стабильно увеличивается с эмбриональным возрастом
Эти результаты говорят о том, что диагностическая значимость метода МПФ наиболее высока именно во внутриутробном периоде. И это очень важно, так как после рождения ребенка арсенал МРТ (в том числе с использованием контрастирующих средств), который позволяет визуализировать все детали злокачественного поражения, значительно расширяется (Korostyshevskaya, Savelov, Papusha et al., 2018).
В течение последнего десятилетия для изучения внутриутробного периода созревания мозга использовались различные количественные методы МРТ. Но оказалось, что среди всех известных на сегодня методов наиболее чувствительным к содержанию миелина в мозге взрослого человека и плода оказался метод картирования МПФ.
Медуллобластома — злокачественная опухоль центральной нервной системы, развивающаяся из эмбриональных клеток и локализующаяся преимущественно в мозжечке. Она составляет пятую часть всех опухолей головного мозга у детей. Формирование у ребенка врожденной медуллобластомы удалось проследить с внутриутробного периода. На традиционных МРТ-изображениях головного мозга (карте коэффициента диффузии воды — а и анатомических изображениях с различным контрастом — б, в) опухоль можно диагностировать после рождения: например, она хорошо видна в возрасте 4 месяцев. Однако в последнем семестре беременности опухоль не выделяется на фоне окружающей ткани, но ее можно увидеть на МПФ-карте, потому что медуллобластома содержит большое количество коллагена, влияющего на величину детектируемого сигнала МРТ. Справа — МРТ-изображение нервной системы больного в возрасте 4 месяцев, полученное при обычном сканировании с контрастным усилением. В возрасте 5,5 месяцев ребенку была сделана оперативная резекция опухоли. Внизу — гистологические срезы опухолевых фрагментов, окрашенных гематоксилин-эозином (а) и импрегнированных серебром (б), на которых видны множественные слившиеся опухолевые узлы, окруженные фиброзными волокнами, в состав которых входит коллаген. Фото из архива НМИЦ детской гематологии, онкологии и иммунологии им. Дмитрия Рогачева (Москва)
С его помощью новосибирским специалистам впервые удалось разработать количественные критерии нормальной внутриутробной миелинизации, на основании которых можно оценить своевременность формирования внутренней структуры мозга от второго триместра до рождения ребенка. Эти критерии в дальнейшем можно использовать в клинической практике. Кроме того, в некоторых случаях новый метод помогает диагностировать врожденный порок развития головного мозга еще до рождения, что бывает затруднительно с использованием только традиционных методов МРТ.
Исследование поддержано Министерством образования и науки Российской Федерации (госзадание 18.2583.2017/4.6.), Российским научным фондом (проект № 19-75-20142) и Национальными институтами здравоохранения США (National Institutes of Health, NIH).
Литература
1. Коростышевская А. М., Савелов А. А., Цыденова Д. В и др. Количественный анализ структурной зрелости головного мозга плода по данным диффузионно-взвешенной МРТ // Вест. Новосиб. гос. ун-та. Серия: Биология, клиническая медицина. 2015. Т. 13. № 4. С. 27–32.
2. Коростышевская А. М., Василькив Л. М., Цыденова Д. В. и др. Количественный анализ пре- и постнатальной структурной зрелости головного мозга в норме и при вентрикуломегалии по данным диффузионно-взвешенной МРТ // Мультидисциплинарный научный журнал «Архивариус». 2016. Т. 22. № 10(14). С. 33–41.
3. Korostyshevskaya A. M., Prihod’ko I. Y., Savelov A. A. et al. Direct comparison between apparent diffusion coefficient and macromolecular proton fraction as quantitative biomarkers of the human fetal brain maturation // J. Magn. Reson. Imaging. 2019. N. 50. P. 52–61. DOI: 10.1002/jmri.26635.
4. Korostyshevskaya A. M., Savelov A. A., Papusha L. I. et al. Congenital medulloblastoma: fetal and postnatal longitudinal observation with quantitative MRI // Clinical imaging. 2018. N. 52. P. 172–176.
5. Yarnykh V., Korostyshevskaya A. Implementation of fast macromolecular proton fraction mapping on 1.5 and 3 Tesla clinical MRI scanners: preliminary experience // J. Phys.: Conf. Ser. 2017. V. 886. P. 1–5.
6. Yarnykh V. L., Savelov A., Prihod’ko I. Y. et al. Quantitative assessment of normal fetal brain myelination using fast macromolecular proton fraction mapping // Am. J. of Neuroradiology. 2018. V. 39(7). P. 1341–1348.
Автор: Александра Коростышевская, Андрей Савелов, Ирина Приходько, Яна Исаева, Василий Ярных.
из чего состоит нервная клетка (нейрон)? — Спрашивалка
Структурно-функциональной единицей нервной системы является нейрон (нервная клетка, нейроцит) . Нейрон состоит из тела и отростков. Отростки, проводящие к телу нервной клетки нервный импульс, получили название дендритов. От тела нейрона нервный импульс направляется к другой нервной клетке или к рабочей ткани по отростку, который называют аксоном, или нейритом. Нервная клетка динамически поляризована, т. е. способна пропускать нервный импульс только в одном направлении от дендрита через тело клетки к аксону (нейриту) .
Нейроны в нервной системе, вступая в контакт друг с другом, образуют цепи, по которым передаются (движутся) нервные импульсы. Передача нервного импульса от одного нейрона к другому происходит в местах их контактов и обеспечивается особого рода образованиями, получившими название межнейронных синапсов. Различают синапсы аксиоматические, когда окончания аксона одного нейрона образуют контакты с телом следующего, и аксодендритические, когда аксон вступает в контакт с дендритами другого нейрона. Контактный тип отношений в синапсе при различных физиологических состояниях может, очевидно, либо , либо , обеспечивая возможность избирательной реакции на любое раздражение. Помимо этого, контактное построение цепочек нейронов создает возможность для проведения нервного импульса в определенном направлении. Благодаря наличию контактов в одних синапсах и разъединению в других проведение импульса может нарушаться.
В нервной цепочке различным нейронам присущи разные функции. В связи с этим выделяют три основных типа нейронов по их морфофункциональной характеристике.
1. Чувствительные, рецепторные, или афферентные, нейроны. Тела этих нервных клеток лежат всегда вне головного или спинного мозга, в узлах (ганглиях) периферической нервной системы. Один из отростков, отходящих от тела нервной клетки, следует на периферию к тому или иному органу и заканчивается там тем или иным чувствительным окончанием — рецептором, который способен трансформировать энергию внешнего воздействия (раздражения) в нервный импульс. Второй отросток направляется в ЦНС, спинной мозг или в стволовую часть головного мозга в составе задних корешков спинномозговых нервов или соответствующих черепных нервов.
Различают следующие виды рецепторов в зависимости от локализации:
1) экстероцепторы воспринимают раздражение из внешней среды. Они расположены в наружных покровах тела, в коже и слизистых оболочках, в органах чувств;
2) интероцепторы получают раздражение главным образом при изменениях химического состава внутренней среды организма и давления в тканях и органах;
3) проприоцепторы воспринимают раздражения в мышцах, сухожилиях, связках, фасциях, суставных капсулах.
Рецепцию, т. е. восприятие раздражения и начавшееся распространение нервного импульса по нервным проводникам к центрам, И. П. Павлов относил к началу процесса анализа.
2. Замыкательный, вставочный, ассоциативный, или кондукторный, нейрон. Этот нейрон осуществляет передачу возбуждения с афферентного (чувствительного) нейрона на эфферентные. Суть этого процесса заключается в передаче полученного афферентным нейроном сигнала эфферентному нейрону для исполнения в виде ответной реакции. И. П. Павлов определил это действие как . Замыкательные (вставочные) нейроны лежат в пределах ЦНС.
3. Эффекторный, эфферентный (двигательный, или секреторный) нейрон. Тела этих нейронов находятся в ЦНС (или на периферии-в симпатических, парасимпатических узлах) . Аксоны (нейриты) этих клеток продолжаются в виде нервных волокон к рабочим органам (произвольным-скелетным и непроизвольным-гладким мышцам, железам).
Распространение нервных импульсов • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»
В результате эволюции нервной системы человека и других животных возникли сложные информационные сети, процессы в которых основаны на химических реакциях. Важнейшим элементом нервной системы являются специализированные клетки нейроны. Нейроны состоят из компактного тела клетки, содержащего ядро и другие органеллы. От этого тела отходит несколько разветвленных отростков. Большинство таких отростков, называемых дендритами, служат точками контакта для приема сигналов от других нейронов. Один отросток, как правило самый длинный, называется аксоном и передает сигналы на другие нейроны. Конец аксона может многократно ветвиться, и каждая из этих более мелких ветвей способна соединиться со следующим нейроном.
Во внешнем слое аксона находится сложная структура, образованная множеством молекул, выступающих в роли каналов, по которым могут поступать ионы — как внутрь, так и наружу клетки. Один конец этих молекул, отклоняясь, присоединяется к атому-мишени. После этого энергия других частей клетки используется на то, чтобы вытолкнуть этот атом за пределы клетки, тогда как процесс, действующий в обратном направлении, вводит внутрь клетки другую молекулу. Наибольшее значение имеет молекулярный насос, который выводит из клетки ионы натрия и вводит в нее ионы калия (натрий-калиевый насос).
Когда клетка находится в покое и не проводит нервных импульсов, натрий-калиевый насос перемещает ионы калия внутрь клетки и выводит ионы натрия наружу (представьте себе клетку, содержащую пресную воду и окруженную соленой водой). Из-за такого дисбаланса разность потенциалов на мембране аксона достигает 70 милливольт (приблизительно 5% от напряжения обычной батарейки АА).
Однако при изменении состояния клетки и стимуляции аксона электрическим импульсом равновесие на мембране нарушается, и натрий-калиевый насос на короткое время начинает работать в обратном направлении. Положительно заряженные ионы натрия проникают внутрь аксона, а ионы калия откачиваются наружу. На мгновение внутренняя среда аксона приобретает положительный заряд. При этом каналы натрий-калиевого насоса деформируются, блокируя дальнейший приток натрия, а ионы калия продолжают выходить наружу, и исходная разность потенциалов восстанавливается. Тем временем ионы натрия распространяются внутри аксона, изменяя мембрану в нижней части аксона. При этом состояние расположенных ниже насосов меняется, способствуя дальнейшему распространению импульса. Резкое изменение напряжения, вызванное стремительными перемещения ионов натрия и калия, называют потенциалом действия. При прохождении потенциала действия через определенную точку аксона, насосы включаются и восстанавливают состояние покоя.
Потенциал действия распространяется довольно медленно — не более доли дюйма за секунду. Для того чтобы увеличить скорость передачи импульса (поскольку, в конце концов, не годится, чтобы сигнал, посланный мозгом, достигал руки лишь через минуту), аксоны окружены оболочкой из миелина, препятствующей притоку и оттоку калия и натрия. Миелиновая оболочка не непрерывна — через определенные интервалы в ней есть разрывы, и нервный импульс перескакивает из одного «окна» в другое, за счет этого скорость передачи импульса возрастает.
Когда импульс достигает конца основной части тела аксона, его необходимо передать либо следующему нижележащему нейрону, либо, если речь идет о нейронах головного мозга, по многочисленным ответвлениям многим другим нейронам. Для такой передачи используется абсолютно иной процесс, нежели для передачи импульса вдоль аксона. Каждый нейрон отделен от своего соседа небольшой щелью, называемой синапсом. Потенциал действия не может перескочить через эту щель, поэтому нужно найти какой-то другой способ для передачи импульса следующему нейрону. В конце каждого отростка имеются крошечные мешочки, называющие (пресинаптическими) пузырьками, в каждом из которых находятся особые соединения — нейромедиаторы. При поступлении потенциала действия из этих пузырьков высвобождаются молекулы нейромедиаторов, пересекающие синапс и присоединяющиеся к специфичным молекулярным рецепторам на мембране нижележащих нейронов. При присоединении нейромедиатора равновесие на мембране нейрона нарушается. Сейчас мы рассмотрим, возникает ли при таком нарушении равновесия новый потенциал действия (нейрофизиологи продолжают искать ответ на этот важный вопрос до сих пор).
После того как нейромедиаторы передадут нервный импульс от одного нейрона на следующий, они могут просто диффундировать, или подвергнуться химическому расщеплению, или вернуться обратно в свои пузырьки (этот процесс нескладно называется обратным захватом). В конце XX века было сделано поразительное научное открытие — оказывается, лекарства, влияющие на выброс и обратный захват нейромедиаторов, могут коренным образом изменять психическое состояние человека. Прозак (Prozac*) и сходные с ним антидепрессанты блокируют обратный захват нейромедиатора серотонина. Складывается впечатление, что болезнь Паркинсона взаимосвязана с дефицитом нейромедиатора допамина в головном мозге. Исследователи, изучающие пограничные состояния в психиатрии, пытаются понять, как эти соединения влияют на человеческий рассудок.
По-прежнему нет ответа на фундаментальный вопрос о том, что же заставляет нейрон инициировать потенциал действия — выражаясь профессиональным языком нейрофизиологов, неясен механизм «запуска» нейрона. В этом отношении особенно интересны нейроны головного мозга, которые могут принимать нейромедиаторы, посланные тысячей соседей. Об обработке и интеграции этих импульсов почти ничего не известно, хотя над этой проблемой работают многие исследовательские группы. Нам известно лишь, что в нейроне осуществляется процесс интеграции поступающих импульсов и выносится решение, следует или нет инициировать потенциал действия и передавать импульс дальше. Этот фундаментальный процесс управляет функционированием всего головного мозга. Неудивительно, что эта величайшая загадка природы остается, по крайней мере сегодня, загадкой и для науки!
См. также:
Самоорганизующиеся карты Кохонена — математический аппарат
Самоорганизующиеся карты — это одна из разновидностей нейросетевых алгоритмов. Основным отличием данной технологии от нейросетей, обучаемых по алгоритму обратного распространения, является то, что при обучении используется метод обучения без учителя, то есть результат обучения зависит только от структуры входных данных.
Нейронные сети данного типа часто применяются для решения самых различных задач, от восстановления пропусков в данных до анализа данных и поиска закономерностей, например, в финансовой задаче. В данной статье мы рассмотрим принципы функционирования и некоторые аспекты использования самоорганизующихся карт.T, где n определяется размерностью исходного пространства (размерностью входных векторов). Применение одно и двумерных сеток связано с тем, что возникают проблемы при отображении пространственных структур большей размерности (при этом опять возникают проблемы с понижением размерности до двумерной, представимой на мониторе).
Обычно нейроны располагаются в узлах двумерной сетки с прямоугольными или шестиугольными ячейками. При этом, как было сказано выше, нейроны также взаимодействуют друг с другом. Величина этого взаимодействия определяется расстоянием между нейронами на карте. На рисунке 1 дан пример расстояния для шестиугольной и четырехугольной сеток.
Рисунок 1. Расстояние между нейронами на карте для шестиугольной (а) и четырехугольной (б) сеток. При этом легко заметить, что для шестиугольной сетки расстояние между нейронами больше совпадает с евклидовым расстоянием, чем для четырехугольной сетки.
Количество нейронов в сетке определяет степень детализации результата работы алгоритма, и в конечном счете от этого зависит точность обобщающей способности карты.
Начальная инициализация карты
При реализации алгоритма SOM заранее задается конфигурация сетки (прямоугольная или шестиугольная), а также количество нейронов в сети. Некоторые источники рекомендуют использовать максимально возможное количество нейронов в карте. При этом начальный радиус обучения (neighborhood в англоязычной литературе) в значительной степени влияет на способность обобщения при помощи полученной карты.
В случае, когда количество узлов карты превышает количество примеров в обучающей выборке, то успех использования алгоритма в большой степени зависит от подходящего выбора начального радиуса обучения. Однако, в случае, когда размер карты составляет десятки тысяч нейронов, то время, требуемое на обучение карты, обычно бывает слишком велико для решения практических задач. Таким образом необходимо достигать допустимого компромисса при выборе количества узлов.
Перед началом обучения карты необходимо проинициализировать весовые коэффициенты нейронов. Удачно выбранный способ инициализации может существенно ускорить обучение, и привести к получению более качественных результатов. Существуют три способа инициирования начальных весов.
- Инициализация случайными значениями, когда всем весам даются малые случайные величины.
- Инициализация примерами, когда в качестве начальных значений задаются значения случайно выбранных примеров из обучающей выборки
- Линейная инициализация. В этом случае веса инициируются значениями векторов, линейно упорядоченных вдоль линейного подпространства, проходящего между двумя главными собственными векторами исходного набора данных. Собственные вектора могут быть найдены например при помощи процедуры Грама-Шмидта.
Обучение
Обучение состоит из последовательности коррекций векторов, представляющих собой нейроны. На каждом шаге обучения из исходного набора данных случайно выбирается один из векторов, а затем производится поиск наиболее похожего на него вектора коэффициентов нейронов. При этом выбирается нейрон-победитель, который наиболее похож на вектор входов. Под похожестью в данной задаче понимается расстояние между векторами, обычно вычисляемое в евклидовом пространстве. Таким образом, если обозначим нейрон-победитель как c, то получим
\mid\mid\mathbf {x}- \mathbf {w_c}\mid \mid = \min_i \{ \mid \mid \mathbf {x}- \mathbf {w_i}\mid \mid \}
После того, как найден нейрон-победитель, производится корректировка весов нейросети. При этом вектор, описывающий нейрон-победитель и вектора, описывающие его соседей в сетке перемещаются в направлении входного вектора. Это проиллюстрировано на рисунке 2 для двумерного вектора.
Рисунок 2. Подстройка весов нейрона победителя и его соседей. Координаты входного вектора отмечены крестом, координаты узлов карты после модификации отображены серым цветом. Вид сетки после модификации отображен штриховыми линиями.
При этом для модификации весовых коэффициентов используется формула:
w_i (t+1)= \mathbf w_i(t) + h_{ci}(t) * [\mathbf x(t) — \mathbf w (t)],
где t обозначает номер эпохи (дискретное время). При этом вектор x(t) выбирается случайно из обучающей выборки на итерации t. Функция h(t) называется функцией соседства нейронов и представляет собой невозрастающую функцию от времени и расстояния между нейроном-победителем и соседними нейронами в сетке.{- \frac{d}{2\sigma (t))}}
При этом лучший результат получается при использовании Гауссовой функции расстояния.
Часто эту величину называют радиусом обучения, который выбирается достаточно большим на начальном этапе обучения и постепенно уменьшается так, что в конечном итоге обучается один нейрон-победитель. Наиболее часто используется функция, линейно убывающая от времени.
Рассмотрим теперь функцию скорости обучения a(t). Эта функция также представляет собой функцию, убывающую от времени. Наиболее часто используются два варианта этой функции: линейная и обратно пропорциональная времени вида a(t) = \frac {\ A } {\ {t + B} }, где A и B — это константы.
Применение этой функции приводит к тому, что все вектора из обучающей выборки вносят примерно равный вклад в результат обучения.
Обучение состоит из двух основных фаз: на первоначальном этапе выбирается достаточно большое значение скорости обучения и радиуса обучения, что позволяет расположить вектора нейронов в соответствии с распределением примеров в выборке, а затем производится точная подстройка весов, когда значения параметров скорости обучения много меньше начальных. В случае использования линейной инициализации первоначальный этап грубой подстройки может быть пропущен.
Применение алгоритма
Так как алгоритм SOM сочетает в себе два основных направления – векторное квантование и проецирование, то можно найти и основные применения этого алгоритма. Данную методику можно использовать для поиска и анализа закономерностей в исходных данных. После того, как нейроны размещены на карте, полученная карта может быть отображена. Рассмотрим различные способы отображения полученной карты.
Раскраска, порожденная отдельными компонентами
При данном методе отрисовки полученную карту можно представить в виде слоеного пирога. Каждый слой которого представляет собой раскраску, порожденную одной из компонент исходных данных. Полученный набор раскрасок может использоваться для анализа закономерностей, имеющихся между компонентами набора данных.
После формирования карты мы получаем набор узлов, который можно отобразить в виде двумерной картинки. При этом каждому узлу карты можно поставить в соответствие участок на рисунке, четырех или шестиугольный, координаты которого определяются координатами соответствующего узла в решетке. Теперь для визуализации осталось только определить цвет ячеек этой картинки. Для этого и используются значения компонент.
Самый простой вариант — использование градаций серого. В этом случае ячейки, соответствующие узлам карты, в которые попали элементы с минимальными значениями компонента или не попало вообще ни одной записи, будут изображены черным цветом, а ячейки, в которые попали записи с максимальными значениями такого компонента, будут соответствовать ячейки белого цвета. В принципе, можно использовать любую градиентную палитру для раскраски.
Полученные раскраски в совокупности образуют атлас, отображающий расположение компонент, связи между ними, а также относительное расположение различных значений компонент.
Отображение кластеров
Кластером будет являться группа векторов, расстояние между которыми внутри этой группы меньше, чем расстояние до соседних групп. Структура кластеров при использовании алгоритма SOM может быть отображена путем визуализации расстояния между опорными векторами (весовыми коэффициентами нейронов).
При использовании этого метода чаще всего используется унифицированная матрица расстояний (u-matrix). Для этого вычисляется расстояние между вектором весов нейрона в сетке и его ближайшими соседями. Затем эти значения используются для определения цвета, которым этот узел будет отрисован.
Обычно используют градации серого, причем чем больше расстояние, тем темнее отрисовывается узел. При таком использовании узлам с наибольшим расстоянием между ними и соседями соответствует черный цвет, а близлежащим узлам — белый.
Литература
- Ф.Уоссермен, «Нейрокомпьютерная техника» , М.: Мир, 1992
- А.Ежов, С.Шумский, «Нейрокомпьютинг и его применение в экономике и бизнесе»,1998.
- T.Kohonen, «Self-Organizing Maps», Springer, 1995.
- T.Kohonen, «Self-Organizing Maps»(2-nd edition), Springer, 1997.
- Juho Vensano, «Data Mining Techniques Baseg on the Self Organized Map»
Другие материалы:
Loginom Community Edition — аналитика, доступная каждому
Интервью Алексея Арустамова для медиахолдинга РБК
Объяснитель: Что такое нейрон?
аксон : длинное хвостовидное расширение нейрона, которое отводит электрические сигналы от клетки.
клетка : Наименьшая структурная и функциональная единица организма. Обычно он слишком мал, чтобы увидеть невооруженным глазом, он состоит из водянистой жидкости, окруженной мембраной или стенкой. В зависимости от размера животные состоят из тысяч или триллионов клеток. Большинство организмов, таких как дрожжи, плесень, бактерии и некоторые водоросли, состоят только из одной клетки.
тело клетки : Компактная часть нейрона, в которой находится его ядро.
химический : Вещество, состоящее из двух или более атомов, которые объединяются (связываются) в фиксированной пропорции и структуре. Например, вода — это химическое вещество, которое образуется, когда два атома водорода связываются с одним атомом кислорода. Его химическая формула — H 2 O. Химический также может быть прилагательным для описания свойств материалов, которые являются результатом различных реакций между различными соединениями.
дендритов : Волосоподобные выступы из головы (тела клетки) нейрона. Они сидят, готовые уловить нейромедиатор, химический сигнал, выпущенный соседним нейроном.
разработка : Возникновение или создание, либо естественным путем, либо посредством человеческого вмешательства, например, путем производства. (в биологии) Чтобы расти как организм от зачатия до взрослой жизни, часто претерпевая изменения в химическом составе, размере, умственной зрелости или иногда даже в форме.
глия : поддерживающие клетки для нейронов. В человеческом мозге содержится около 86 миллиардов этих глиальных клеток. Некоторые из них охватывают аксоны и образуют жировую оболочку. Это ускоряет передачу нейронных сигналов и помогает предотвратить «перекрестные помехи» между соседними нейронами. Другие глиальные клетки обеспечивают нейроны питательными веществами и поддержкой, а также направляют новые нейроны к месту их назначения.
host : (в биологии и медицине) Организм (или среда), в котором находится что-то еще.(v) Акт предоставления дома или окружающей среды для чего-либо.
Интернет : Сеть электронных коммуникаций. Это позволяет компьютерам в любой точке мира подключаться к другим сетям для поиска информации, загрузки файлов и обмена данными (включая изображения).
ion : (прил. Ионизированный) Атом или молекула с электрическим зарядом из-за потери или усиления одного или нескольких электронов. В ионизированном газе или плазме все электроны отделены от своих родительских атомов.
магнит : Материал, который обычно содержит железо и чьи атомы расположены таким образом, что они притягивают определенные металлы.
мембрана : барьер, который блокирует прохождение (или прохождение) некоторых материалов в зависимости от их размера или других характеристик. Мембраны — неотъемлемая часть систем фильтрации. Многие из них выполняют ту же функцию, что и внешнее покрытие клеток или органов тела.
модель : моделирование реального события (обычно с использованием компьютера), которое было разработано для прогнозирования одного или нескольких вероятных результатов.Или человек, который должен показать, как что-то будет работать или выглядеть на других.
мотонейрон : клетка, являющаяся частью пути, по которому импульсы проходят между головным или спинным мозгом и мышцей (или железой).
мышца : Тип ткани, используемый для движения путем сокращения своих клеток, известный как мышечные волокна. Мышцы богаты белком, поэтому хищные виды ищут добычу, содержащую много этой ткани.
миелин : (также как миелиновая оболочка) жировой слой, который окружает аксоны нейронов.Эта оболочка, или оболочка, сделанная из глиальных клеток, изолирует аксоны этих нейронов, увеличивая скорость, с которой сигналы ускоряются по ним.
нерв : длинное тонкое волокно, которое передает сигналы по телу животного. В позвоночнике животного есть множество нервов, некоторые из которых контролируют движение его ног или плавников, а некоторые передают такие ощущения, как жар, холод или боль.
нервная система : Сеть нервных клеток и волокон, передающая сигналы между частями тела.
сеть : Группа взаимосвязанных людей или вещей. (v) Акт установления связи с другими людьми, которые работают в данной области или занимаются аналогичными делами (например, художниками, руководителями бизнеса или группами медицинской поддержки), часто путем посещения собраний, где такие люди могут быть ожидаемы, а затем болтовни их вверх. (n. сеть)
нейрон : импульс-проводящая клетка. Такие клетки находятся в головном мозге, позвоночнике и нервной системе. Нейроны вне мозга обычно называют нервными клетками.
ядро : Множественное число ядер. (в биологии) Плотная структура, присутствующая во многих клетках. Обычно ядро представляет собой единую округлую структуру, заключенную в мембрану, в которой содержится генетическая информация.
спинной мозг : Цилиндрический пучок нервных волокон и связанных с ними тканей. Он заключен в позвоночник и соединяет почти все части тела с мозгом, с которым образует центральную нервную систему.
стволовая клетка : клетка «с чистого листа», которая может давать начало другим типам клеток в организме.Стволовые клетки играют важную роль в регенерации и восстановлении тканей.
синапс : сильно локализованная область, в которой происходит коммуникация нейронов. Он включает в себя концы аксонов, которые излучают химический сигнал. Он включает в себя короткий промежуток, через который это химическое вещество проходит, чтобы достичь следующего нейрона. И это включает в себя концы дендритов на соседнем нейроне, которые ждут получения химического сообщения.
передать : (n. Передача) Отправить или передать.
уникальный : нечто непохожее ни на что другое; единственный в своем роде.
Нервные клетки (нейроны) — структура и функции, адаптации и микроскопия
Структура и функции, адаптации и микроскопия
Определение: Что такое нервные клетки?
По сути, нервные клетки, также известные как нейроны, являются активным компонентом нервной системы. Нейроны общаются друг с другом, а также с другими клетками посредством электрических сигналов (нервных импульсов), что, в свою очередь, позволяет эффекторным органам реагировать на соответствующие стимулы.
Нервные клетки можно описать как приемники и передатчики информации, которые позволяют организму реагировать соответствующим образом. Считается, что в организме человека нервная система (которая состоит из центральной и периферической нервной системы) содержит около 10 20 отдельных нейронов. Каждый из нейронов состоит из нескольких частей, которые позволяют им правильно выполнять свои функции.
* Короче говоря, нервная клетка / нейрон является основной функциональной единицей нервной системы.
* Слова нервная клетка и нейрон будут использоваться в этой статье как синонимы.
Анатомия нейронов состоит из:
- Тело клетки
- Дендриты
- Аксон
- Клетки миелиновой оболочки
- Узлы Ранвье
- Концевой пучок аксона
Структура и функции нервных клеток
Структура
На уровне ультраструктуры нервная клетка, как и любой другой тип животной клетки, содержит различные типы органелл, которые поддерживают их жизнь и позволяют им оставаться функциональными.К ним относятся, среди прочего, такие клеточные органеллы, как ядро, ядрышко, E.R., аппарат Гольджи и митохондрии.
Различные типы органелл играют разные роли, которые способствуют правильному функционированию нейрона. Например, в то время как ДНК, содержащаяся в ядре, содержит генетический материал, который контролирует все характеристики клетки, цитоскелет (который состоит из трубчатой структуры) помогает поддерживать форму нейрона, а также транспортировать такие вещества, как белки.
Анатомически нервная клетка состоит из нескольких частей, упомянутых выше. Хотя нервные клетки составляют нервные клетки разных типов, все они содержат следующие первичные структуры:
Тело клетки (Сома)
Сома — это тело нервной клетки, которое содержит ядро. По сравнению с другими участками клетки, тело клетки больше и под микроскопом может казаться сферическим.
Серия ветвистых структур, известных как дендриты, возникает из тела клетки.Помимо соединения дендритов и аксонов, что позволяет передавать нервные импульсы от одной клетки к другой, сома также является местом синтеза белка (белки синтезируются в теле Ниссля грубого ER в теле клетки нейрона) .
* Тело / сома клетки также известно как перикарион.
* Тело клетки — это метаболический центр клетки, состоящий из систем, производящих энергию, где синтезируются макромолекулы, чтобы поддерживать клетку в живых, поддерживать ее структуру и позволять ей функционировать должным образом.
* Клеточные органеллы нервной клетки содержат различные типы органелл, которые, среди прочего, участвуют в таких функциях, как рост, выработка энергии и синтез белков.
В зависимости от нейрона существуют разные типы клеточных тел.
К ним относятся:
· Биполярные — расположены посередине и имеют по одному аксону и дендриту на обоих концах
· Псевдоуниполярные — соединены с аксоном и дендритом трубчатым выступом — как таковые, он не связан напрямую с ними.Аксон также разделяется на две ветви на своем конце.
· Униполярный — тело клетки здесь расположено на одном конце и имеет единственный аксон. В отличие от других клеток, униполярные клетки лишены дендритов.
· Мультиполярный — это тип тела клетки, который обычно описывается во многих книгах. Из тела клетки возникают дендриты (разветвленные), а аксон проходит с одной стороны тела клетки
Дендриты
Дендриты представляют собой древовидные разветвленные структуры, которые возникают из тела нервной клетки.В зависимости от клетки дендриты могут значительно увеличиваться, напоминая сильно разветвленное дерево. Помимо основных ветвей дендритов, дендриты могут содержать дополнительные выступы, известные как дендритные шипы.
Эти небольшие мембранные выступы получают входной сигнал от аксона другой клетки и, таким образом, играют важную роль в передаче нервных импульсов за счет увеличения общей площади поверхности.
По мере расширения тела клетки дендриты и дендритные шипы также содержат цитоплазму и различные типы органелл.В частности, дендритные шипы содержат множество микротрубочек и некоторые нейрофиламенты, которые вносят вклад в наблюдаемые изменения их формы.
* Дендриты получают электрические импульсы от аксонов других нервных клеток, которые, в свою очередь, накапливаются в соме перед отправкой на бугорок аксона.
Аксонный холмик
Аксонный холмик — это специализированная область, из которой проходит аксон.По сути, это область, в которой аксон прикрепляется к телу клетки. В отличие от тела клетки и дендритов, Axon Hillock лишен многих клеточных органелл. Однако он содержит различные элементы цитоскелета, а также некоторые органеллы, которые транспортируются к аксону из тела клетки.
* Начальный сегмент — это область между аксоном и бугорком и передней частью миелиновой оболочки. Считается, что эта область является областью инициации потенциала действия.
* Axon Hillock имеет конусовидную форму.
Аксон
Аксон представляет собой одиночную удлиненную структуру, отходящую от Аксонского холма. По сравнению с дендритами аксон более прямой и имеет более гладкую поверхность. Кроме того, по сравнению с дендритами, которые имеют тенденцию к сильному разветвлению, каждый нейрон имеет единственный аксон, который расширяется и разветвляется на своем конце.
Хотя в нем отсутствуют многие органеллы, присутствующие в теле клетки, аксон содержит микротрубочки (по длине аксона) и специализированные изолирующие вещества, известные как миелин, на своей поверхности, которые усиливают передачу нервных импульсов.
* Разветвленный конец аксона известен как аксональные коллатералы.
* Пространства / промежутки между шванновскими клетками известны как узлы Ранвье, и они служат для распространения электрических сигналов по аксону.
* Миелиновая оболочка состоит из клеток (шванновских клеток), оборачивающихся вокруг аксона. В центральной нервной системе это действие выполняют клетки олигодендроцитов.
Нервный конец / терминал аксона
Это дистальная часть аксона, которая контактирует с другими клетками.Поскольку эта часть аксона в значительной степени участвует в высвобождении нейромедиатора, она содержит большое количество митохондрий, которые производят энергию, необходимую для облегчения процесса.
Типы нейронов в зависимости от расположения тела клетки
Функция
Хотя нервы функционально классифицируются на три основные группы (сенсорные, двигательные и промежуточные нейроны), все они участвуют в передаче информации, которая, в свою очередь, обеспечивает соответствующий ответ.
Они участвуют в приеме сигнала, интеграции входящего сигнала, а также в передаче сигнала.
Здесь разные части клеток (тело клетки, дендриты, аксоны и т. Д.) Играют разные роли, которые, в свою очередь, позволяют клетке в целом эффективно выполнять свои функции:
Рецептивные функции нейрона — Нейроны контактируют с другими клетками в местах, известных как синапсы. Это место, в котором нервные окончания клеток контактируют, обеспечивая успешное общение.
В этом случае нейроны выполняют рецептивную функцию, получая информацию, исходящую от стимулов. Именно эта рецептивная функция нейронов обеспечивает эффективную передачу информации и, следовательно, соответствующую реакцию на стимулы.
* Постсинаптическая клетка участвует в рецептивной функции (это будет подробно обсуждено в следующем разделе).
Интегративная функция нейрона — Интегративная функция происходит в дендритах (рецептивных компонентах), а также в теле клетки нейрона.По большей части, он включает суммирование возбуждающих и тормозных реакций (это интеграция входящих сигналов), чтобы определить, следует ли передавать определенную информацию.
Инициирование импульса — Для большинства нейронов нервные импульсы инициируются, когда мембранный потенциал нейрона достаточно деполяризован и достигает определенного порога. Это позволяет некоторым нейронам инициировать импульсы и, таким образом, передавать информацию конкретным целям.
* Не все нейроны способны инициировать импульс.
Передача — Передача от одного нейрона к другому может быть электрическим или химическим.
* При передаче электроэнергии на нейрон воздействует другой через пассивные электрические средства.
* При химической передаче это потенциальное изменение в одном из нейронов, которое приводит к высвобождению химического нейромедиатора, который, в свою очередь, распространяет другой нейрон.
Краткое описание трех основных типов нейронов в организме:
Сенсорные нейроны — это тип нейронов, которые активируются внешними физическими или химическими стимулами. Следовательно, это включает сенсорную активацию любого из пяти чувств (осязание, обоняние, звук, зрение, слух).
* Стимулы могут быть физическими или химическими.
* Было показано, что большинство сенсорных нейронов являются псевдоуниполярными (описанными выше). Таким образом, их аксоны в конце разделяются на две части.
Моторные нейроны — Моторные нейроны — это тип нейронов спинного мозга, который соединяет органы, мышцы и различные типы желез в организме. Таким образом, они служат для передачи импульсов от центральной нервной системы к органам, железам и мышцам. Это, в свою очередь, контролирует движение различных типов мышц, а также деятельность органов и желез в теле. Моторные нейроны состоят из мультиполярных нейронов.
* Есть два типа моторных нейронов.К ним относятся нижние двигательные нейроны (от спинного мозга к мышцам) и верхние двигательные нейроны, которые перемещаются между спинным мозгом и головным мозгом.
Промежуточные нейроны — это тип нейронов, которые соединяют двигательные нейроны с сенсорными нейронами, что позволяет передавать сигналы между ними. Как и двигательные нейроны, эта система состоит из мультиполярных нейронов.
Передача нервных импульсов
Нейроны — одни из самых важных клеток в организме.Это потому, что они участвуют в клеточной коммуникации, которая, в свою очередь, позволяет организму функционировать так, как он должен в окружающей среде.
Посылая сигналы через нервные клетки нервной системы, мозг позволяет человеку двигать руками, ногами или другими частями тела посредством воздействия на мышцы. Однако этот процесс включает несколько процессов, которые будут обсуждаться в этом разделе.
Большую часть времени нейрон находится в состоянии покоя мембранного потенциала (отрицательный градиент концентрации).В этом состоянии концентрация положительно заряженных ионов вне клетки выше, чем внутри. Это характеризуется более высокой концентрацией ионов натрия вне клетки, чем внутри, и более высокой концентрацией ионов калия внутри клетки, чем снаружи.
В то время как ионы все еще поступают в ячейку и выходят из нее в этом состоянии, ячейка постоянно контролирует их концентрацию, чтобы поддерживать относительно постоянный отрицательный градиент концентрации. Это включает в себя активную закачку калия в клетку, одновременно откачивая натрий.
* Потенциал покоя (мембранный потенциал покоя) составляет около -70 мВ.
* Хотя ионы калия, как и натрий, заряжены положительно, они смешиваются с большими отрицательно заряженными белками в нейроне, что вызывает отрицательный заряд внутри клетки по сравнению с внешним.
* Во время потенциала покоя нейрон поляризован.
* На каждые два калия, которые закачиваются в ячейку натрий-калиевым насосом, откачиваются три иона натрия, что поддерживает состояние потенциала покоя.
В отличие от отрицательного мембранного потенциала покоя, потенциал действия представляет собой сдвиг из отрицательного состояния в положительное. Таким образом, это состояние, в котором сигналы передаются по телу через нейроны.
Во время потенциала действия, вызванного стимулом, в нейроне происходит ряд событий.
К ним относятся:
Деполяризация — Когда сигнал (нейротрансмиттеры) от других клеток достигает другого нейрона, это приводит к тому, что положительно заряженные ионы попадают в тело клетки по определенным каналам.Поступающие ионы вызывают падение мембранного потенциала, что приводит к деполяризации.
Напряжение управляемых натриевых каналов около бугорка аксона также активируется (из-за деполяризации тела клетки), что позволяет положительно заряженным ионам (ионам натрия) течь в аксон (который заряжен отрицательно). Это действие приводит к деполяризации аксона по его длине по мере открытия большего количества каналов.
* По мере прохождения потенциала действия нейрон становится положительно заряженным.
Каналы с регулируемым напряжением включают затвор h и затвор m (натриевые каналы с регулируемым напряжением) и затвор n (калиевый канал).
Реполяризация — Когда затворы ионов натрия становятся неактивными, они начинают закрываться, что, в свою очередь, останавливает поток положительных ионов в ячейку. Калиевые каналы также начинают открываться, что приводит к перемещению большего количества ионов калия за пределы клетки, что приводит к тому, что клетка становится более отрицательной, когда она возвращается в состояние покоя.
Гиперполяризация — Пока потенциал действия проходит, калиевые каналы остаются открытыми немного дольше, что позволяет положительным ионам продолжать вытекать из клетки.Это, в свою очередь, приводит к тому, что клетка становится все более отрицательной (больше, чем обычно во время мембранного потенциала).
Это только временно, поскольку эти каналы закрываются, позволяя натрий-калиевому насосу начать работу и вернуться в нормальное состояние покоя.
* У нейрона есть только один сигнал, который он может отправить за раз, который передается только с одинаковой силой и скоростью.
* Однако частота отправляемого сигнала может варьироваться — Количество отправленных импульсов.
* Нервный импульс — это потенциал действия.
* Поскольку аксон участвует в текущей деятельности, он не может реагировать ни на какие другие стимулы. Этот период известен как рефрактерный период.
Представление потенциала действия
По мере того, как нервный импульс движется вдоль аксона, как показано на изображении выше, можно увидеть изменение движения ионов внутрь и наружу клетки. Однако после прохождения импульса часть, находящаяся за импульсом на аксоне, начинает возвращаться к мембранному потенциалу покоя.
Хотя изображение выше дает общее представление о потенциале действия, на нем не показаны миелиновая оболочка и узлы Ранвье. В нормальной нервной клетке эти структуры присутствуют и усиливают распространение потенциала действия.
Участки, покрытые миелиновой оболочкой, препятствуют ионному обмену вдоль аксона. Однако в узлах Ранвье, которые являются открытыми промежутками, происходит ионный обмен, который обеспечивает более быстрое распространение.
Это связано с тем, что процесс переходит от одного узла к другому, а не передача происходит по всей длине аксона.
Передача, происходящая из-за наличия клеток миелиновой оболочки (с дискретными скачками), известна как скачкообразная проводимость.
Изображение с клетками миелиновой оболочки:
Нейротрансмиттеры
Также называемые химическими посредниками, нейротрансмиттеры — это молекулы нервной системы, которые передают сообщения от одного нейрона к другому или от нейрона к другим клеткам.
Как описано выше, нервные импульсы передаются по аксону нейрона в форме электрических сигналов.Однако, как только эти сигналы достигают синапса, они преобразуются в химические сигналы.
Здесь нейромедиатор высвобождается из терминала аксона в синапсе, проходит через синаптическую щель (промежуток между химическим синапсом двух нейронов), чтобы достичь другой клетки. Нейромедиатор выделяется в виде небольших мешочков везикул.
Как только они вступают в контакт с другой клеткой, нейромедиатор связывается с рецепторами другой клетки, что, в свою очередь, вызывает изменения в клетке.
При этом нейромедиатор может вызвать любое из следующих событий:
- Повышение потенциала действия — Действие возбуждающих передатчиков
- Регулирующие нейроны — нейромодуляторы
Типы нейротрансмиттеров
Существует несколько типов нейромедиаторов, которые включают:
- Ацетилхолин
- Глутамат
- гамма-аминомасляная кислота
- Глицин
- Дофамин
- Норадреналин 14
- Норадреналин 9
Микроскопия нервных клетокВ то время как микроскопия сверхвысокого разрешения требуется для визуализации морфологии нервных клеток, использование красителя Luxol Fst Blue (в модифицированной технике Клювера-Барреры) использовалось для просмотра частей нейрона (миелина и аксона) под ней. световой микроскоп.
Требования:
- 10-процентный формалин
- Срезы образца (10 ед.)
- Luxol fast blue раствор
- Раствор эозина Y
- Cres14
- 9014Испирт 9014 фиолетовый
- Карбонат лития
- Дистиллированная вода
- Покровное стекло микроскопа
Процедура:
· Используя 95-процентный спирт, депарафинизируйте 000 (образец) и гидратируйте 000 срез в растворе Luxol Fast Blue на ночь при 60 градусах Цельсия
· Промойте образец спиртом
· Промойте образец водой
· Поместите образец в раствор карбоната лития примерно на 5 секунд
· Поместите s обильно в 70-процентном спирте (повторите это через 10 секунд в свежем 70-процентном спирте)
· Промойте образец дистиллированной водой
· Повторите шаги с 5 по 7, пока не появится резкий контраст между синей частью белого вещества и наблюдается бесцветное серое вещество
· Промойте образец 70-процентным спиртом
· Поместите образец в раствор эозина примерно на 60 секунд
· Промойте образец в дистиллированной воде
· Поместите образец в Cresyl violet примерно на 60 секунд
· Промойте образец в дистиллированной воде
· Дегидратируйте образец 95-процентным спиртом
· Второй раз обезвожьте образец 100-процентным этанолом
· Очистить ксилолом и накрыть покровным стеклом
· Vie w под микроскопом
Наблюдение
При просмотре под микроскопом миелинизированные волокна выглядят синими, в то время как другие части нервной клетки выглядят пурпурными.
Вернуться на главную страницу Cell Biology
Вернуться от нервных клеток в MicroscopeMaster Home
сообщить об этом объявлении
Список литературыАкаш Гаутам. (2017). Нервные клетки. Энциклопедия познания и поведения животных.
Алан Г. Браун. (1991). Нервные клетки и нервные системы: введение в неврологию
Джек К. Уэймайр. (1997). Глава 8: Организация типов клеток.Отделение нейробиологии и анатомии Медицинской школы Макговерна.
Дженнифер Кенни. (2010). Нервные клетки.
Sinauer Associates, Inc. (2001). Неврология. 2-е издание.
Сильвия Хелена Кардосо. (2002). Части нервной клетки и их функции.
Ссылки
https://bio.libretexts.org/Bookshelves/Introductory_and_General_Biology/Book%3A_Introductory_Biology_(CK-12)/13%3A_Human_Biology/13._16% 3A_Nerve_Cells
https://webpath.med.utah.edu/HISTHTML/MANUALS/LFB.PDF
Мы создаем 1500 новых нейронов каждый день — Откройте для себя UNIL
Гиппокамп, расположенный в центре нашего мозга, является приютом для нейронов. (© ktsimages / iStockphotos)
Николас Тони — доцент кафедры фундаментальных нейронаук биологического и медицинского факультета UNIL.Даже в мозге взрослого человека постоянно образуются новые нейроны.В течение жизни мы обновляем 80% клеток в области гиппокампа, важной структуры для обучения и памяти. Команда UNIL раскрыла некоторые секреты этого процесса нейрогенеза с дополнительным бонусом в виде потенциальных терапевтических применений, особенно при болезни Альцгеймера.
Двадцать лет назад казалось, что дело улажено. В отличие от множества других клеток нашего тела, те, что находятся в мозге, не могут расти заново. Во время развития эмбриона, а затем в детстве, наши нейроны формируются и соединяются, образуя очень сложную сеть.Тем не менее, когда мы достигаем совершеннолетия, определенное количество из них вырождается и умирает: чистая потеря для наших моторных и когнитивных функций. По крайней мере, это была общепринятая теория в неврологических кругах. В настоящее время мы знаем, что это просто не так и что в любом возрасте — или почти — нейроны могут регенерировать в определенных частях мозга, которые являются настоящими рассадниками нейронов.Стволовые клетки в мозге взрослых
Все начало меняться в середине 1960-х годов, когда американские исследователи заметили, что в мозге взрослых крыс генерируются новые нейроны.Но эти результаты вызвали у исследователей многочисленные сомнения, поскольку «они противоречили установленной догме», по словам Николаса Тони, доцента кафедры фундаментальных нейронаук факультета биологии и медицины UNIL. В середине 1990-х нейробиологи еще раз изучили этот предмет и отметили, что «определенные области мозга содержат стволовые клетки, способные непрерывно генерировать относительно большое количество нейронов и других клеток мозга». На этот раз не было места для каких-либо сомнений, В частности, вскоре после этого этот процесс также наблюдался в человеческом мозге.
Фантазия фонтана молодости
В общем, стволовые клетки называют «недифференцированными» клетками. Они еще не относятся к специализированному типу клеток и способны развиваться в разные типы клеток. На эмбриональном этапе они являются основой развития органов и тканей будущего ребенка. Они также присутствуют у взрослых, например, в коже, где обеспечивают заживление ран. Те, что находятся в головном мозге, могут не только генерировать нервные клетки, но и могут самовоспроизводиться, делиться с образованием двух новых дочерних стволовых клеток, которые, в свою очередь, генерируют другие нервные клетки, вызывая «фантазию фонтана». молодости », — весело замечает Николас Тони.
Стволовые клетки находятся в двух определенных областях мозга. Во-первых, в субвентрикулярной зоне, расположенной в центре головного мозга. Они населяют зубчатую извилину гиппокампа. «Это очень маленькая территория. У человека размер гиппокампа равен мизинцу, а зубчатая извилина составляет около четверти этого размера », — уточняет Николас Тони. Это пространство не менее важно, поскольку «оно представляет собой ворота к информации в гиппокампе». Последний играет ключевую роль в обучении и памяти.«Это необходимо для людей. Человек, лишенный этого, больше не может узнавать новую информацию и постоянно живет прошлым ».
На этой фотографии, сделанной с помощью флуоресцентного микроскопа, показано поперечное сечение гиппокампа взрослой мыши. Внизу справа видна зубчатая извилина (в виде наконечника стрелы). Тела клеток отмечены красным, а новообразованные нейроны — зеленым. Последние имеют половину количества синапсов, когда астроциты (невидимые на изображении) деактивированы.Это доказательство того, что астроциты влияют на нейрогенез. (© Департамент фундаментальных нейронаук, UNIL)
Двойная революция — концептуальная и функциональная
По словам нейробиолога, открытие существования стволовых клеток в гиппокампе представляет собой «двойную революцию». «Это означает, что мозг взрослого человека все еще может генерировать нейроны. Более того, с точки зрения функционирования мозга это также очень интригует ». Недавние исследования действительно показали, что человек генерирует около 1500 новых нейронов в день в зубчатой извилине гиппокампа.Это небольшое количество по сравнению со 100 миллиардами нейронов в головном мозге. Но в течение жизни это представляет собой обновление около 80% нейрональной популяции зубчатой извилины. Исследователь UNIL задается вопросом: «Как мы объясним, что структура, которая так важна для памяти, обновляется до такой степени?»
От стволовой клетки к нейрону
Стволовая клетка в любом случае должна пройти несколько стадий, прежде чем сформироваться новый нейрон, способный выполнять свои функции. Сначала он делится, и его потомство должно затем мигрировать в то место в мозгу, где они должны обосноваться.Эти дочерние клетки впоследствии дифференцируются и, подобно гусеницам, которые становятся бабочками, превращаются в «настоящие» нейроны. Теперь они должны выжить, поскольку «многие из них умирают», — отмечает нейробиолог. «Из 100 ячеек, которые образуются в любой момент, только двадцать из них живут месяц спустя».
Установление контактов
И даже на этом процесс не закончен. Нежный молодой нейрон должен созреть, чтобы обрести окончательную структуру. Для этого его клеточное тело, содержащее его ядро, должно приобрести древовидные структуры — дендриты — и филаменты — аксоны.Он также должен образовывать синапсы, которые позволяют ему подключаться к другим партнерам и, таким образом, «подключаться к цепи». Все эти этапы независимы друг от друга, что однозначно усложняет задачу попыток повлиять на процесс. «С одной стороны, некоторые молекулы увеличивают пролиферацию стволовых клеток, но с другой стороны, они способствуют гибели нейронов». В целом они не помогают создавать новые нервные клетки.
Соединяйся или умри
Изучая мышей, команда UNIL пытается понять механизмы, регулирующие различные фазы нейрогенеза.В недавнем исследовании исследователи тщательно изучили заключительную стадию, в частности, когда новый нейрон интегрируется в существующую сеть, что имеет решающее значение по нескольким причинам. Если новоприбывший нейрон не подключается к остальной части цепи, он подобен неподключенному электрическому проводу и не служит никакой цели. Более того, в таком случае, как обнаружил Николас Тони, работая в Институте Солка в Калифорнии, его довольно просто устранить. Любопытно, что первые синапсы, образованные незрелыми нейронами, неспособны получать информацию от своих партнеров и, таким образом, передавать ее дальше.Их называют безмолвными синапсами.
Конкуренция между молодыми и старыми нейронами
Чтобы объяснить этот феномен, Николас Тони выдвинул гипотезу, подтвержденную другими командами, о том, что «новые нейроны отбираются на конкурентной основе, своего рода дарвинизм на клеточном уровне». С помощью электронного микроскопа исследователь и его коллеги действительно заметили, что молодой нейрон не интегрируется где-либо и так или иначе в сети. «Дендрит нейрона образует синапсы с аксонами уже в процессе взаимодействия со старыми нейронами.Некоторое время молодые и старые нейроны сосуществуют, но когда синапс первого достаточно созреет, он устраняет свой более старый аналог. Поэтому между нейронами происходит своего рода борьба, и в соответствии с теорией эволюции известного британского натуралиста, побеждает и выживает лучший из них.
Создание новых воспоминаний
Этот феномен проливает новый свет на то, как функционируют обучение и память. «Хранение информации и то, как она запоминается, происходит за счет усиления связей между нейронами и устранения определенного количества других», — отмечает нейробиолог.Развитие новых нейронов и, следовательно, новых синапсов укрепляет этот процесс. Естественно, это нарушает организацию существующего контура, но именно эта нестабильность в сети «дает возможность формировать новые связи в зубчатой извилине и, следовательно, новые воспоминания». Кроме того, многочисленные исследования показывают, что ингибирование нейрогенеза взрослых нарушает процессы памяти.
Астроциты, клетки, питающие нейроны
Как заметил Николас Тони, молодой нейрон не выживает, если ему не удается создать новые синапсы.Исследователь спросил себя, существуют ли какие-либо механизмы, которые могли бы помочь установить эту жизненно важную область, и если да, были ли они одинаковыми у взрослых и у эмбрионов. В ответ на этот вопрос исследователи UNIL в сотрудничестве со своими коллегами из Базельского и Страсбургского университетов изучили другой тип клеток мозга, астроциты, которые играют роль в функционировании нейронов и роль которых еще мало известна. . ‘
Клетки, управляющие своей территорией…
Нейробиологи из Лозанны использовали особенно хитрый генетический инструмент, поскольку он не убивал астроциты, но блокировал их действие.В результате эти нервные клетки больше не могли высвобождать различные молекулы, которые они обычно испускают в окружающее пространство. Таким образом, «они больше не могли общаться с внешним миром; они стали немыми ». Затем исследователи отметили, что нейрон, дендриты которого пересекают зону, где должны были быть обнаружены молчащие астроциты,« образовывал половину числа синапсов, чем когда он развивался на территории нормального астроцита ». Более того,« если мы. сделав астроциты немыми, мы увидели заметное увеличение гибели незрелых нейронов.«
… и влиять на конкуренцию»
Это доказывает — и это первое, по мнению нейробиолога, — что количество синапсов, которые может создать новый нейрон, «зависит от среды, в которой он расположен», и, в частности, от астроциты. Последний может влиять на конкуренцию между молодыми и старыми нейронами, «увеличивая с помощью молекул, которые они выпускают, конкурентоспособность первых». Группа UNIL, кроме того, идентифицировала одну из этих молекул — D-серин, которая действует на нейроны. и чье влияние на депрессию и память в настоящее время проверяется на людях.
Возможные терапевтические применения
Это исследование вселяет большие надежды. Это указывает на то, что можно предусмотреть стимуляцию образования новых нейронов в гиппокампе для терапевтических целей. Эта церебральная структура, отвечающая за обучение и память, также играет роль в возникновении тревоги и депрессии. Ускоряя обновление нейронов, можно ослабить симптомы этих расстройств или замедлить потерю памяти, связанную с болезнью Альцгеймера.Эксперимент, в котором принимала участие команда UNIL, уже проводился на мышах, у которых было воспроизведено это дегенеративное заболевание, и оказался убедительным. Как отмечает Николя Тони, французские исследователи, «увеличив» производство новых нейронов в мозге этих грызунов, наблюдали «улучшение их способности к обучению и пространственной памяти». В этом он видит «доказательство того, что эта концепция верна». Пропасть между мышами и людьми, конечно, велика, но ничто не мешает нам мечтать.
Как они работают? — Виртуальный музей психологии
Нейроны передают сообщенияНаш мозг состоит из миллиардов нервных клеток, называемых нейронами. Это основные строительные блоки нервной системы. Чтобы понять, как наши мысли и действия, наши воспоминания и настроение, нам нужно знать, как нейроны работают и общаются.
В 1873 году итальянский врач и ученый Камилло Гольджи открыл метод окрашивания серебром, который используется для визуализации нервных тканей под световым микроскопом.Метод получил название метода Гольджи. Это было началом изучения нейронов. Сегодня мы узнали больше о сложности нейрона.
Хотя нейроны могут различаться, все они состоят из тела клетки, дендритов, аксонов и миелиновых оболочек. Тело клетки направляет всю деятельность нейрона. Это связано с густыми дендритными волокнами, которые получают информацию, такую как сообщения, от других нейронов и передают эти сообщения телу клетки. Оттуда одиночное волокно аксона клетки передает сообщение через свои конечные ветви от тела клетки к дендритам других нейронов или к мышцам.Короче говоря, дендриты слушают, где говорят аксоны.
Диаграмма нейроновДендриты короче по длине, тогда как аксоны могут быть очень длинными, даже несколько футов в теле. Аксоны заключены в миелиновую оболочку, слой жировой ткани, которая изолирует их и ускоряет их импульсы. Каждый момент сообщения передаются от нейрона к нейрону туда и обратно с поразительной скоростью.
Как работают синапсыНейрон взаимодействует с другими нейронами через синапс. Для отправки сообщений нейрон выпускает химические посланники, называемые нейротрансмиттерами.В течение 1/10 000 секунды молекулы нейромедиатора пересекают синаптическую щель и связываются с рецепторными участками принимающего нейрона. Когда нейротрансмиттеры прикрепляются к этим рецепторам, они вызывают изменения внутри принимающего нейрона, и сообщение доставляется. Лучше всего это можно представить как ключ, вставленный в замок. Затем избыточные нейротрансмиттеры уносятся прочь, расщепляются ферментами или реабсорбируются посылающими нейронами; этот процесс называется повторным захватом.
Понимание нейронов помогает нам понять, как создаются мысли, воспоминания, действия и настроения.Они даже помогают объяснить, как наркотики влияют на наш мозг и вызывают зависимости. Чем больше вы знаете о нейроне, тем легче объяснить, как работает наш мозг.
Видео
Сайтов
Знай свои нейроны: открытие и наименование нейрона
На протяжении многих лет я научил свою копию Microsoft Word большому количеству терминологии нейробиологии: миндалевидное тело, мозолистое тело, дендритные шипы, воксель. Но он всегда знал, что означает нейрон .Я тоже думал.
Нейроны — электрически возбудимые клетки, составляющие мозг и нервную систему, — впервые очаровали меня в старшей школе. В колледже, как и многие другие студенты, изучающие мозг, я усердно запомнил структуру архетипического нейрона. Я также помню, как узнал о нескольких разных типах нейронов с разными формами и функциями: двигательные нейроны, которые заставляют мышцы подергиваться, например, и уникальные сенсорные нейроны в глазах и носу.
Однако только недавно я начал осознавать и ценить необычайное разнообразие клеток нервной системы — клеток, которые отличаются друг от друга больше, чем клетки любого другого органа.Некоторые нейроны посылают электрические сигналы по волокнам, которые растягиваются на несколько футов; ветви других нейронов простираются всего на несколько миллиметров от тела клетки. Некоторые нейроны обладают фрактальной красотой, подобной красоте папоротников и кораллов: например, клетки Пуркинье часто имеют мелко разветвленные сети, как морской веер. Но некоторые из их соседей больше похожи на спутанные перекати-поле. Один нейрон может казаться более или менее круглым под микроскопом — как фейерверк, застывший в кульминации, — в то время как другой может проходить через мозг, как папина длинноногий.Нейроны различаются не только по форме — разные типы нейронов включают разные наборы генов, и не все нейроны используют одни и те же химические вещества для связи. Возбуждающие нейроны в основном стимулируют другие клетки; тормозящие нейроны предпочитают подавляться. Большинство нейронов срабатывают по шаблону, но их темп варьируется: одни сохраняют постоянный ритм, другие в основном молчат, за исключением случайных всплесков активности, а третьи клетки непрерывно срабатывают, как ребенок, довольный курком, играющий в лазертаг. Подводя итог: не все нейроны абсолютно одинаковы.Мозг содержит множество.
Серия «Знай свои нейроны» посвящена исследованию клеточного разнообразия нервной системы, которое сегодня является предметом активных исследований. В последнее десятилетие, например, в центре внимания оказались интригующие и якобы уникальные типы нейронов, такие как нейроны веретена и зеркальные нейроны, поскольку эти клетки могут иметь решающее значение для некоторых из самых сложных форм интеллекта мозга. Однако ученые еще не пришли к единому мнению о том, насколько на самом деле особенными эти клетки.В ближайшие десятилетия все более мощные технологии визуализации позволят исследователям видеть нейроны более детально, чем когда-либо прежде, вероятно, выявляя ранее скрытые различия между областями мозга и типами клеток. Внимательное изучение — это то, как нейрон был впервые обнаружен. Потребовались годы тщательных наблюдений, чтобы убедить научное сообщество в том, что нейроны являются настоящими клетками.
Открытие и наименование нейрона
Слова «нейрон», как мы понимаем его сегодня, не существовало до 1891 года.
К середине 19 века ученые обнаружили, что ткани растений, животных и всех живых существ состоят из дискретных единиц, называемых «клетками», тех же «маленьких комнат», которые английский физик 17 века Роберт Гук наблюдал в своем исследовании. кусок пробки под микроскопом. Однако один вид живой ткани оказался исключением из «клеточной теории» — нервная система.
Когда ведущие анатомы XIX века исследовали хрупкую нервную ткань с помощью лучших доступных им микроскопов, они определили клеточные тела, на которых образовалось множество запутанных выступов.Наблюдения немецкого гистолога Йозефа Герлаха убедили его в том, что волокна, выходящие из различных тел клеток, сливаются в непрерывную сеть, бесшовную сеть, известную как «ретикулум». Его идеи пользовались популярностью. Многие исследователи признали, что, в отличие от сердца или печени, мозг и нервная система не могут быть разделены на отдельные структурные единицы.
В 1873 году итальянский врач Камилло Гольджи открыл химическую реакцию, которая позволила ему исследовать нервную ткань гораздо подробнее, чем когда-либо прежде.По какой-то причине закаливание части мозга дихроматом калия и последующее обливание его нитратом серебра окрашивало только несколько тел клеток и их соответствующие выступы в образце ткани, показывая их полные структуры и точное расположение в неокрашенной ткани. Если бы реакция окрасила все нейроны в образце, у Гольджи осталось бы непостижимое черное пятно, как если бы кто-то пролил бутылку с чернилами. Вместо этого его техника давала аккуратные черные силуэты на полупрозрачном желтом фоне.
«Черная реакция» Гольджи в сочетании с кропотливой работой Карла Дейтерса и других четко разграничила два вида выступов из тел клеток в нервной ткани: длинный тонкий кабель, который, казалось, не сильно разветвлялся, и скопление более коротких ветвящихся волокон. . Хотя Гольджи видел, что ветвящиеся волокна одного клеточного тела не сливаются с волокнами другого, он не отвергал идею Герлаха о сетке — вместо этого он решил, что длинные тонкие кабели, вероятно, соединены в одну непрерывную сеть.
Четырнадцать лет спустя, в 1887 году, испанский нейроанатом Сантьяго Рамон-и-Кахаль узнал о черной реакции Гольджи от психиатра Луиса Симарро Лакабры, которому удалось усовершенствовать оригинальную технику Гольджи. Кахаль, который уже был одержим изучением структуры живых тканей в мельчайших деталях, сразу же признал реакцию черного наиболее изощренным способом исследования нервной системы и озадачился, почему так мало ученых, кроме самого Гольджи, опробовали процедуру окрашивания.Кахаль еще больше улучшил реакцию черного и применил эту технику ко всем типам нервной ткани разных животных и людей, создав красивые и подробные зарисовки того, что он видел под микроскопом, — рисунки, на которые ученые и преподаватели все еще полагаются сегодня.
Исследования Кахаля показали, что, вопреки подозрениям Гольджи, длинные тонкие кабели, выходящие из тел клеток, не сливаются в одну сетку. Хотя многие волокна в образце ткани перекрывались, они оставались отдельными физическими структурами, как переплетение ветвей разных деревьев в густом лесу.Сеточки не было. Нервная система, как и все другие живые ткани, состоит из дискретных строительных блоков, или того, что Кахаль называл «абсолютно автономными единицами».
В октябре 1889 года Кахаль посетил Конгресс Немецкого анатомического общества в Берлине, чтобы представить свои открытия ведущим нейроанатомам мира. Хотя многие ученые высмеивали Кахаля и его наброски, его презентация в Германии убедила чрезвычайно влиятельного швейцарского гистолога Рудольфа Альберта фон Келликера отказаться от любого понятия ретикулума.В 1891 году немецкий анатом Вильгельм Вальдейер синтезировал новаторское исследование Кахаля с клеточной теорией 1830-х годов, добавив идеи, представленные швейцарским эмбриологом Вильгельмом Хисом и швейцарским психиатром Августом Форелем, чтобы сформировать «доктрину нейронов»: нервная система состоит из дискретных клеток, которые Вальдейер назвал нейронами . В 1896 году Рудольф Альберт фон Колликер ввел термин аксон для описания длинных тонких кабелей, которые передают сигналы от тел клеток. В 1889 году Уильям Хис назвал тонкие ветвящиеся волокна, передающие сигналы к телу клетки, , дендриты .Основываясь на своих рисунках клеточных цепей, Кахал уже предположил направление, в котором сигналы проходят через нейроны.
Наброски Кахаля остаются одним из наиболее подробных описаний структурного разнообразия мозга и нервной системы. Сегодня мы знаем, что, хотя клетки мозга построены по единой схеме, они отличаются друг от друга структурно, функционально и генетически. Можно даже утверждать, что, поскольку каждый нейрон по-своему связывается с соседями, каждая клетка мозга уникальна.Далее в разделе «Знай свои нейроны» мы исследуем различные способы классификации клеток мозга и пытаемся понять, сколько существует различных типов.
Ссылки
Бентивольо, М. Жизнь и открытия Сантьяго Рамон-и-Кахаль. Nobelprize.org. 1998. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/medicine/laureates/1906/cajal-article.html
Костанди М. Открытие нейрона. Нейрофилософия. 2006. http://neurophilosophy.wordpress.com/2006/08/29/the-discovery-of-the-neuron/
Kandel ER, Schwartz JH, Jessell TM 2000. Принципы неврологии, 4-е изд. McGraw-Hill, New York
Mazzarello, P. Объединяющая концепция: история теории клетки. Nature Cell Biology 1, E13 — E15 (1999) doi : 10.1038 / 8964
Schoonover, Carl. 2010. Портреты разума . Абрамс.
5.1 Нейрон — строительный блок нервной системы — Введение в психологию
Чарльз Стангор и Дженнифер Валинга
Цели обучения
- Опишите структуру и функции нейрона.
- Нарисуйте схему путей коммуникации внутри нейронов и между ними.
- Перечислите три основных нейротрансмиттера и опишите их функции.
Нервная система состоит из более чем 100 миллиардов клеток, известных как нейронов . нейрон — это клетка нервной системы, функция которой состоит в получении и передаче информации . Как вы можете видеть на Рисунке 5.1, «Компоненты нейрона», нейроны состоят из трех основных частей: тела клетки или сома , которое содержит ядро клетки и поддерживает клетку в живых ; ветвистое древовидное волокно, известное как дендрит , которое собирает информацию от других ячеек и отправляет информацию в сома ; и длинное сегментированное волокно, известное как аксон , которое передает информацию от тела клетки к другим нейронам или мышцам и железам .На рис. 5.2 представлена фотография нейронов, сделанная с помощью конфокальной микроскопии.
Рисунок 5.1. Компоненты нейрона. Рисунок 5.2. Нервная система, включая мозг, состоит из миллиардов взаимосвязанных нейронов. Эта обширная взаимосвязанная сеть отвечает за все человеческое мышление, чувства и поведение.Некоторые нейроны имеют сотни или даже тысячи дендритов, и эти дендриты сами могут быть разветвленными, чтобы позволить клетке получать информацию от тысяч других клеток. Аксоны также являются специализированными, и некоторые из них, например те, которые отправляют сообщения от спинного мозга к мышцам рук или ног, могут быть очень длинными — даже до нескольких футов в длину.Чтобы улучшить скорость их связи и предохранить их электрические заряды от короткого замыкания с другими нейронами, аксоны часто окружены миелиновой оболочкой . Миелиновая оболочка — это слой жировой ткани, окружающей аксон нейрона, который одновременно действует как изолятор и обеспечивает более быструю передачу электрического сигнала . Аксоны ответвляются к своим концам, и на конце каждой ветви находится терминальная кнопка .
Нейроны общаются с помощью электричества и химикатов
Нервная система работает с использованием электрохимического процесса .Электрический заряд проходит через сам нейрон, и химические вещества используются для передачи информации между нейронами. Внутри нейрона, когда сигнал принимается дендритами, он передается соме в форме электрического сигнала, и, если сигнал достаточно сильный, он может затем передаваться на аксон, а затем на терминал. кнопки. Если сигнал достигает кнопок терминала, они получают сигнал об испускании химических веществ, известных как нейротрансмиттеры , которые взаимодействуют с другими нейронами через промежутки между клетками, известные как синапсы .
Видео: Электрохимическое действие нейрона [https://www.youtube.com/watch?v=TKG0MtH5crc]. В этом видеоролике показана модель электрохимического действия нейрона и нейромедиаторов.
Электрический сигнал проходит через нейрон в результате изменения электрического заряда аксона. Обычно аксон остается в состоянии покоя , , , состоянии, в котором внутренняя часть нейрона содержит большее количество отрицательно заряженных ионов, чем область за пределами клетки .Когда сегмент аксона, ближайший к телу клетки, стимулируется электрическим сигналом от дендритов, и если этот электрический сигнал достаточно силен, чтобы пройти определенный уровень или порог , клеточная мембрана в этом первом сегменте открывается. его ворота, позволяющие проникнуть положительно заряженным ионам натрия, которые ранее не допускались. Это изменение электрического заряда на , которое происходит в нейроне при передаче нервного импульса , известно как потенциал действия .Как только возникает потенциал действия, количество положительных ионов превышает количество отрицательных ионов в этом сегменте, и сегмент временно становится положительно заряженным.
Как вы можете видеть на Рисунке 5.3, «Миелиновая оболочка и узлы Ранвье», аксон сегментирован серией разрывов между колбасообразными сегментами миелиновой оболочки . Каждый из этих промежутков представляет собой узел Ранвье . Электрический заряд движется вниз по аксону от сегмента к сегменту в виде набора небольших скачков, перемещаясь от узла к узлу.Когда потенциал действия возникает в первом сегменте аксона, он быстро вызывает аналогичное изменение в следующем сегменте, которое затем стимулирует следующий сегмент, и так далее, поскольку положительный электрический импульс продолжается вплоть до конца аксона. . Когда каждый новый сегмент становится положительным, мембрана в предыдущем сегменте снова закрывается, и сегмент возвращается к своему отрицательному потенциалу покоя. Таким образом, потенциал действия передается по аксону к кнопкам терминала.Полный ответ по длине аксона очень быстрый — он может происходить до 1000 раз в секунду.
Рисунок 5.3. Миелиновая оболочка и узлы Ранвье. Миелиновая оболочка оборачивается вокруг аксона, но также оставляет небольшие промежутки, называемые узлами Ранвье. Потенциал действия перескакивает от узла к узлу при движении вниз по аксону.Важным аспектом потенциала действия является то, что он действует по принципу все или ничего . Это означает, что нейрон либо срабатывает полностью, так что потенциал действия движется вниз по аксону, либо он вообще не срабатывает.Таким образом, нейроны могут предоставлять больше энергии нейронам, находящимся ниже по линии, за счет более быстрого срабатывания, но не с помощью более сильного срабатывания. Кроме того, нейрону предотвращается повторное срабатывание из-за наличия рефрактерного периода — через короткое время после срабатывания аксона, в течение которого аксон не может снова активироваться, потому что нейрон еще не вернулся к своему потенциалу покоя.
Нейротрансмиттеры: химические посланники организма
Нейронные сигналы не только проходят через электрические заряды внутри нейрона, но также проходят через химическую передачу между нейронами.Нейроны разделены областями соединения, известными как синапсов, , областей, где терминальные кнопки на конце аксона одного нейрона почти, но не совсем касаются дендритов другого . Синапсы обеспечивают замечательную функцию, потому что они позволяют каждому аксону связываться со многими дендритами в соседних клетках. Поскольку нейрон может иметь синаптические связи с тысячами других нейронов, коммуникационные связи между нейронами нервной системы позволяют создать очень сложную систему связи.
Когда электрический импульс от потенциала действия достигает конца аксона, он сигнализирует кнопкам терминала высвободить нейротрансмиттеров в синапс. Нейромедиатор — это химическое вещество , которое передает сигналы через синапсы между нейронами . Нейротрансмиттеры перемещаются через синаптическое пространство между терминальной кнопкой одного нейрона и дендритами других нейронов, где они связываются с дендритами в соседних нейронах. Кроме того, разные терминальные кнопки высвобождают разные нейротрансмиттеры, и разные дендриты особенно чувствительны к разным нейротрансмиттерам.Дендриты будут принимать нейротрансмиттеры только в том случае, если они имеют правильную форму, чтобы соответствовать участкам рецепторов на принимающем нейроне. По этой причине рецепторные участки и нейротрансмиттеры часто сравнивают с замком и ключом (Рисунок 5.4, «Синапс»).
Рисунок 5.4 Синапс. Когда нервный импульс достигает терминальной кнопки, он запускает выброс нейротрансмиттеров в синапс. Нейромедиаторы входят в рецепторы на принимающих дендритах как замок и ключ.Когда нейротрансмиттеры принимаются рецепторами на принимающих нейронах, их эффект может быть либо возбуждающим, (т. Е. они повышают вероятность того, что клетка сработает. ), либо ингибирующим (т.е. они делают клетку менее вероятной пожар) . Более того, если принимающий нейрон способен принимать более одного нейромедиатора, на него будут влиять процессы возбуждения и торможения каждого из них. Если возбуждающие эффекты нейротрансмиттеров больше, чем тормозящие влияния нейротрансмиттеров, нейрон приближается к своему порогу срабатывания; если он достигает порога, начинается потенциал действия и процесс передачи информации через нейрон.
Нейротрансмиттеры, которые не принимаются участками рецептора, должны быть удалены из синапса, чтобы произошла следующая потенциальная стимуляция нейрона. Этот процесс происходит частично за счет расщепления нейротрансмиттеров ферментами, а частично за счет обратного захвата , процесса, в котором нейротрансмиттеры, находящиеся в синапсе, реабсорбируются в передающие терминальные кнопки, готовые к повторному высвобождению после нейрона. Пожары .
Более 100 химических веществ, вырабатываемых в организме, были определены как нейротрансмиттеры, и эти вещества оказывают широкий и глубокий эффект на эмоции, познание и поведение.Нейротрансмиттеры регулируют наш аппетит, нашу память, наши эмоции, а также действия и движения наших мышц. И, как вы можете видеть в Таблице 5.1 «Основные нейротрансмиттеры и их функции», некоторые нейротрансмиттеры также связаны с психологическими и физическими заболеваниями.
Наркотики, которые мы можем принимать внутрь — по медицинским показаниям или ради развлечения — могут действовать как нейротрансмиттеры, влияя на наши мысли, чувства и поведение. Агонист — это лекарственное средство, которое имеет химические свойства, сходные с определенным нейромедиатором, и, таким образом, имитирует эффекты нейротрансмиттера .Когда агонист попадает в организм, он связывается с рецепторными участками в дендритах, чтобы возбудить нейрон, действуя так, как если бы присутствовало большее количество нейромедиатора. Например, кокаин является агонистом нейромедиатора дофамина. Поскольку дофамин вызывает чувство удовольствия, когда он высвобождается нейронами, кокаин вызывает аналогичные чувства при приеме внутрь. Антагонист — это лекарство, которое снижает или останавливает нормальные эффекты нейромедиатора . Когда антагонист попадает в организм, он связывается с рецепторными участками дендрита, тем самым блокируя нейротрансмиттер.Например, яд кураре является антагонистом нейромедиатора ацетилхолина. Когда яд попадает в мозг, он связывается с дендритами, прекращает обмен данными между нейронами и обычно вызывает смерть. Другие препараты действуют, блокируя обратный захват самого нейротрансмиттера — когда обратный захват снижается лекарством, больше нейротрансмиттера остается в синапсе, увеличивая его действие.
Таблица 5.1 Основные нейротрансмиттеры и их функции Нейротрансмиттер Описание и функции Банкноты Ацетилхолин (АХ) Обычный нейромедиатор, используемый в спинном мозге и двигательных нейронах для стимуляции мышечных сокращений.Он также используется мозгом для регулирования памяти, сна и сновидений. Болезнь Альцгеймера связана с недостатком ацетилхолина. Никотин — агонист, действующий подобно ацетилхолину. Дофамин Участвуя в движении, мотивации и эмоциях, дофамин вызывает чувство удовольствия, когда высвобождается системой вознаграждения мозга, а также участвует в обучении. Шизофрения связана с повышением уровня дофамина, тогда как болезнь Паркинсона связана со снижением уровня дофамина (и для ее лечения могут использоваться агонисты дофамина). Эндорфины Выделяется в ответ на такие поступки, как энергичные упражнения, оргазм и употребление острой пищи. Эндорфины — естественные обезболивающие. Они связаны с соединениями, содержащимися в таких наркотиках, как опиум, морфин и героин. Высвобождение эндорфинов вызывает у бегуна кайф, который возникает после интенсивных физических нагрузок. ГАМК (гамма-аминомасляная кислота) Главный тормозной нейромедиатор в головном мозге. Недостаток ГАМК может привести к непроизвольным двигательным действиям, включая тремор и судороги. Алкоголь стимулирует выработку ГАМК, которая подавляет нервную систему и заставляет нас чувствовать себя пьяными. Низкий уровень ГАМК может вызывать беспокойство, а агонисты ГАМК (транквилизаторы) используются для уменьшения беспокойства. Глутамат Самый распространенный нейромедиатор, он выделяется более чем в 90% синапсов мозга. Глутамат содержится в пищевой добавке MSG (глутамат натрия). Избыток глутамата может вызвать чрезмерную стимуляцию, мигрень и судороги. Серотонин Участвует во многих функциях, включая настроение, аппетит, сон и агрессию. Низкий уровень серотонина связан с депрессией, и некоторые препараты, предназначенные для лечения депрессии (известные как селективные ингибиторы обратного захвата серотонина, или СИОЗС), служат для предотвращения их обратного захвата. Ключевые выводы
- Центральная нервная система (ЦНС) — это совокупность нейронов, составляющих головной и спинной мозг.
- Периферическая нервная система (ПНС) — это совокупность нейронов, которые связывают ЦНС с нашей кожей, мышцами и железами.
- Нейроны — это специализированные клетки нервной системы, которые передают информацию. Нейроны содержат дендрит, сому и аксон.
- Некоторые аксоны покрыты жировым веществом, известным как миелиновая оболочка, которая окружает аксон, действует как изолятор и обеспечивает более быструю передачу электрического сигнала.
- Дендрит — это древовидное расширение, которое получает информацию от других нейронов и передает электрическую стимуляцию соме.
- Аксон — это удлиненное волокно, которое передает информацию от сомы к кнопкам терминала.
- Нейротрансмиттеры химически передают информацию от кнопок терминала и через синапсы к принимающим дендритам, используя систему типа «замок и ключ».
- Множество разных нейротрансмиттеров работают вместе, чтобы влиять на познание, память и поведение.
- Агонисты — это препараты, имитирующие действие нейромедиаторов, тогда как антагонисты — это препараты, которые блокируют действие нейромедиаторов.
Упражнения и критическое мышление
- Нарисуйте нейрон и обозначьте его основные части.
- Представьте себе действие, которым вы занимаетесь каждый день, и объясните, как нейроны и нейротрансмиттеры могут работать вместе, чтобы помочь вам участвовать в этом действии.
Авторство изображений
Рис. 5.2: «Конфокальная микроскопия мозга мышей, коры головного мозга» от ZEISS Microscopy (http://www.flickr.com/photos/zeissmicro/10799674936/in/photostream/), использованного в соответствии с CC BY-NC-ND 2.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/deed.en_CA).
Нейротрансмиттеров и рецепторов
Как нейроны проводят электрические импульсы?
Нейроны проводят электрические импульсов с помощью потенциала действия. Это явление порождено через поток положительно заряженных ионов через мембрану нейрона. Я объясню…….Нейроны, как и все клетки, поддерживают разные концентрации определенных ионов (заряженных атомов) через их клеточные мембраны.Представьте себе случай лодка с небольшой протечкой ниже ватерлинии. Чтобы лодку сохранить на плаву небольшое количество воды, попадающее через утечку, должно быть откачанным, что поддерживает более низкий уровень воды относительно открытое море. Нейроны делают то же самое, но выкачивают положительно заряженный натрий. ионы. Кроме того, они положительно накачивают заряженные ионы калия (поташ садоводам !!) Таким образом, существует высокая концентрация ионы натрия, присутствующие вне нейрона, и высокая концентрация ионы калия внутрь.Нейрональная мембрана также содержит специализированные белки, называемые каналами, которые образуют поры в мембране, избирательно проницаемые для отдельные ионы. Таким образом, натриевые каналы позволяют ионы натрия через мембрану, а калий каналы пропускают ионы калия.
Хорошо, пока так хорошо. Теперь в условиях покоя калиевый канал более проницаемы для ионов калия, чем натриевые каналы для натрия ионы.Таким образом, происходит медленная утечка наружу ионов калия, которая больше, чем внутрь утечки ионов натрия. Это означает что мембрана имеет отрицательный заряд на внутренней стороне относительно внешней среды, так как больше положительно заряженных ионов вытекают нейрона, чем втекает внутрь. Эта разница в концентрациях ионов по обе стороны от мембраны приводит к возникновению мембранного потенциала, и мембрана считается поляризованной.
Потенциал действия
Вернемся к лодке.Теперь, в лодке, там давление для воды, и если большая дыра пробита в С другой стороны, скорость, с которой вода поступает в лодку, значительно увеличилась. Точно так же ионы натрия испытывают давление, чтобы проникнуть в нейрон, но им мешает мембрана и перекачка механизмы, которые удаляют любые ионы, которые успевают попасть внутрь. Однако, если открываются натриевые каналы, затопляются положительно заряженные ионы натрия в нейрон, и заставляя внутреннюю часть клетки на мгновение положительно заряжен — клетка называется деполяризованной.Этот имеет эффект открытия калиевых каналов, позволяя калию ионы покидают клетку. Таким образом, сначала происходит притока натрия. ионов (что приводит к массивной деполяризации) с последующим быстрым оттоком ионы калия из нейрона (что приводит к реполяризации). Избыток ионы впоследствии закачиваются в нейрон и выходят из него.Этот переходный переключатель мембранного потенциала является действием потенциал. Цикл деполяризации и реполяризации чрезвычайно быстро, всего за 2 миллисекунды (0.002 секунды) и, таким образом, позволяет нейронам запускать потенциалы действия быстрыми импульсами, общая черта в нейронной коммуникации.
Как определяется потенциал действия распространяться по аксону?
Натриевые каналы в нейрональной мембране открываются в ответ к небольшой деполяризации мембранного потенциала. Итак, когда действие потенциал деполяризует мембрану, передний край активирует другие соседние натриевые каналы. Это приводит к очередному всплеску деполяризации. передний край которого активирует большее количество соседних натриевых каналов… и т. д. Таким образом, волна деполяризации распространяется от точки зарождения.Если бы это было все, было бы к нему, то потенциал действия будет распространяться во всех направлениях вдоль аксона. Но потенциалы действия движутся в одном направлении. Этот достигается за счет того, что натриевые каналы имеют тугоплавкую период после активации, в течение которые они не могут открыть снова. Это гарантирует, что потенциал действия распространяется в определенном направлении вдоль аксона.
Скорость распространения зависит от размера аксона.
Скорость действия потенциала распространение обычно напрямую связано с размером аксона. Большие аксоны приводят к высокой скорости передачи. Например, кальмар имеет аксон диаметром около 1 мм, который инициирует быстрое бегство рефлекс. Увеличение размера аксона удерживает больше натрия ионы, которые формируют внутреннюю волну деполяризации внутри аксона.
Однако, если бы у нас были аксоны, размера гигантского аксона кальмара в нашем мозгу, дверные проемы должны быть существенно расшириться, чтобы уместить наши головы !!! Мы могли только иметь несколько мышц, расположенных на большом расстоянии от нашего мозга — так что все мы были бы очень низкорослыми с очень большими головами….не совсем возможно, это? Ответ — изолировать аксональную мембрану от предотвращают рассеяние внутренней деполяризации в малых аксонах — миелин.
Так что же делает Миелин?
Миелин — это жировые мембраны клеток, которые называются олигодендроглиями (в ЦНС) и Шванновские клетки (в ПНС), который оборачивается вокруг аксона и действует как изолятор, предотвращая диссипация волны деполяризации. Натрий и калий ионные каналы, насосы и все другие принадлежности, связанные с распространение потенциала действия сосредоточено на сайтах между блоками миелина называют Узлами Ранвье.Эта миелиновая оболочка позволяет потенциалу действия прыгать с одного узла к другому, значительно увеличивая скорость передачи.Без миелиновой оболочки мы не может функционировать. Об этом свидетельствуют разрушительные эффекты рассеянного склероза, демиелинизирующее заболевание, которое поражает пучки аксонов в головном мозге, спинного мозга и зрительного нерва, что приводит к нарушению координации и мышечный контроль, а также трудности с речью и зрением. Для дополнительную информацию об этом заболевании посетите MS Интернет-сайт общества.
Веб-статистика .