Informatie

Aan/uit gedrag van neurale netwerken


Wat zorgt ervoor dat een groep onstoffelijke neuronen in een schaal vuren na een stilte? Als er geen neuronen zijn die een stimulans geven voor meer vuren (zoals in een schaal met onstoffelijke rattenneuronen), waarom stoppen ze dan niet gewoon met vuren nadat de gesynchroniseerde burst is voltooid?


Er zijn een aantal verschillende bedradingsscenario's die tot dit soort gedrag kunnen leiden, zelfs in een gedissocieerde neuronale celcultuur. De twee belangrijkste gevallen zijn neuronen die echt van elkaar geïsoleerd zijn, en verzamelingen neuronen die met elkaar verbonden zijn. Aangezien uw vraag betrekking heeft op afvuren en gesynchroniseerde bursts, zal ik mijn bespreking beperken tot het genereren van spontane actiepotentialen - maar onthoud dat niet alle synaptische communicatie een actiepotentiaal vereist (de overgrote meerderheid van interne verbindingen binnen het netvlies, bijvoorbeeld )

In het geval van ensembles-neuronen in vitro is spontane activiteit vrij typisch. Een eenvoudige manier om deze activiteit te krijgen, is dat een subset van cellen in het netwerk inherent spontaan actief is. In het geval van enkele, geïsoleerde neuronen kan dit soort spontane activiteit van individuele cellen er ook toe leiden dat een enkel neuron periodiek pieken afvuurt. Laten we bijvoorbeeld eens kijken hoe een enkele cel dit soort activiteit kan produceren.

Aangezien actiepotentialen worden geactiveerd door een voldoende sterke depolarisatie, moeten we potentiële membraanpolariserende bronnen identificeren. Als het om afzonderlijke cellen gaat, zijn de belangrijkste controllers van de spanningspotentiaal van het celmembraan de spanningsafhankelijke ionenkanalen. Wanneer ze open zijn, kunnen deze kanalen, afhankelijk van hun type en cellulaire/extracellulaire omstandigheden, ofwel een depolarisatie ofwel hyperpolarisatie in de cel veroorzaken. En, het meest interessante, of ze nu open zijn of niet hangt af van de polarisatietoestand van het celmembraan.

Dat maakt spanningsafhankelijke kanalen uitstekend in feedback:

  • een depolariserend kanaal dat depolarisatie-gated is, zal zichzelf verder activeren zodra het is geactiveerd, wat leidt tot nog meer activering. Dit is een positieve feedbackcyclus.
  • een hyperpolariserend kanaal dat depolarisatie-gated is, zal bij depolarisatie van de cel openen en dienen om de cel te hyperpolariseren totdat de initiële depolarisatie is verwijderd. Op deze manier zou het dienen als een negatieve feedbackbron.

Fysiologen hebben veel van deze cellen grondig gekarakteriseerd en ze hebben veel meer toestanden dan "open" en "gesloten", zoals verschillende niveaus van "geïnactiveerd". Maar daar hoeven we niets van te weten om je vraag te beantwoorden.

Het laatste stuk dat we nodig hebben, is de Brownse beweging, de beweging van deeltjes als gevolg van hun bombardement door andere deeltjes. Deze beweging kan met een bepaalde frequentie ervoor zorgen dat spanningsafhankelijke kanalen spontaan openen of sluiten, wat ruis in het systeem introduceert.

Zoals je je kunt voorstellen, als je een positief feedbackkanaal hebt dat spontaan wordt gegated, zal het kortstondig waarschijnlijker zijn dat andere depolarisatie-gated kanalen worden geactiveerd. Positieve feedback kan snel leiden tot een snelle depolarisatie van de cel, wat kan worden waargenomen als een uitbarsting van pieken. Als je een reeks langzamer reagerende depolarisatie-gated hyperpolariserende kanalen opneemt, is het gemakkelijk om een ​​scenario te construeren waarin de cel spontaan zou depolariseren zonder duidelijke input, en dan een rustperiode hebben waarin een langdurige hyperpolarisatie het minder waarschijnlijk maakt om spontaan te vuren.

Voila, barsten in een geïsoleerd neuron. Plaats een set van die neuronen in een netwerk en je kunt veel spontane activiteit genereren.


Bekijk de video: HERSENEN -11- Neurale netwerken (November 2021).