Was ist ein Zug von Aktionspotentialen?

Ein Zug oder eine Kette von Aktionspotentialen (Spike-Zug auf Englisch) ist eine Folge zeitlicher Aufzeichnungen, in denen ein Neuron elektrische Signale oder Nervenimpulse abfeuert. Diese besondere Form der Kommunikation zwischen Neuronen ist Gegenstand des Interesses und der Untersuchung durch die neurowissenschaftliche Gemeinschaft, obwohl noch viele Antworten zu beantworten sind.

In diesem Artikel werden wir sehen, was diese Aktionspotentialzüge sind, was ihre Dauer und Struktur ist, in was besteht aus dem Konzept der neuronalen Kodierung und dem aktuellen Forschungsstand dazu Thema.

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Was ist ein Zug von Aktionspotentialen?

Um zu verstehen, was Aktionspotentialzüge sind, schauen wir uns zunächst an, woraus ein Aktionspotential besteht.

Unser Gehirn enthält ca hundert Milliarden Neuronen feuern ständig Signale ab, um miteinander zu kommunizieren. Diese Signale sind elektrochemischer Natur und wandern vom Zellkörper eines Neurons durch sein Axon oder Neurit zum nächsten Neuron.

Jedes dieser elektrischen Signale oder Impulse ist als Aktionspotential bekannt. Aktionspotentiale treten als Reaktion auf Reize oder spontan auf und jeder Schuss dauert normalerweise 1 Millisekunde.

Ein Zug von Aktionspotentialen ist einfach eine kombinierte Abfolge von Zündung und Nichtzündung. Zum besseren Verständnis: Stellen wir uns eine digitale Folge von Nullen und Einsen vor, wie in einem Binärsystem; wir würden eine 1 für die Auslösung und eine 0 für keine Auslösung zuweisen. In diesem Fall könnte eine Reihe von Aktionspotentialen als Zahlenfolge kodiert werden, wie zum Beispiel: 00111100. Die ersten beiden Nullen würden die Latenzzeit zwischen der Darbietung des Stimulus und dem ersten Auslösen oder Aktionspotential darstellen.

Aktionspotentialzüge können durch direkten sensorischen Input durch Sehen, Berühren, Geräusche oder Gerüche erzeugt werden; Und Sie können auch durch abstrakte Reize ausgelöst werden, die durch kognitive Prozesse wie das Gedächtnis ausgelöst werden (zum Beispiel durch das Hervorrufen von Erinnerungen).

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Dauer und Struktur

Die Dauer und Struktur einer Folge von Aktionspotentialen hängt im Allgemeinen von der Intensität und Dauer des Reizes ab. Diese Arten von Aktionspotentialen dauern normalerweise an und bleiben so lange "an", wie der Stimulus vorhanden ist.

Einige Neuronen haben jedoch spezielle elektrische Eigenschaften, die bewirken, dass sie auf einen sehr kurzen Reiz eine anhaltende Reaktion hervorrufen. Bei dieser Art von Neuronen neigen die Reize mit größerer Intensität dazu, längere Folgen von Aktionspotentialen zu provozieren..

Wenn Aktionspotentiale wiederholt von einem Neuron als Reaktion auf Reize aufgezeichnet werden sich ändern (oder wenn ein Organismus unterschiedliche Verhaltensweisen erzeugt), neigen sie dazu, ein Relativ beizubehalten stabil. Das Zündmuster jeder Folge von Aktionspotentialen variiert jedoch, wenn sich der Stimulus ändert; Im Allgemeinen ändert sich die Geschwindigkeit, mit der Schüsse abgefeuert werden (die Feuerrate), abhängig von verschiedenen Bedingungen.

neuronale Codierung

Aktionspotential Züge waren und sind für die neurowissenschaftliche Gemeinschaft von Interesse, aufgrund seiner Besonderheiten. Viele Forscher versuchen in ihren Studien herauszufinden, welche Informationen in diesen Aktionspotentialen kodiert sind und wie Neuronen sie entschlüsseln können.

Neuronale Kodierung ist ein Gebiet der Neurowissenschaften, das untersucht, wie sensorische Informationen in unserem Gehirn durch neuronale Netze dargestellt werden. Forscher stoßen oft auf große Schwierigkeiten, wenn sie versuchen, Aktionspotenzialzüge zu entschlüsseln.

Es ist schwierig, sich einen Zug von Aktionspotentialen als ein rein binäres Ausgabegerät vorzustellen.. Neuronen haben eine minimale Aktivierungsschwelle und feuern nur, wenn die Intensität des Stimulus über dieser Schwelle liegt. Wenn ein konstanter Stimulus dargeboten wird, wird eine Reihe von Aktionspotentialen erzeugt. Die Aktivierungsschwelle steigt jedoch mit der Zeit an.

Letzteres ist die sogenannte sensorische Anpassung das Ergebnis von Prozessen wie synaptischer Desensibilisierung, eine Abnahme der Reaktion auf den konstanten Reiz, der an der Synapse (der chemischen Verbindung zwischen zwei Neuronen) erzeugt wird.

Dieses Ergebnis führt zu einer Verringerung des mit dem Stimulus verbundenen Feuerns, das schließlich auf Null sinkt. besagten Vorgang hilft dem Gehirn, nicht mit Informationen aus der Umwelt überlastet zu werden, die unverändert bleiben. Zum Beispiel, wenn wir das aufgetragene Parfum nach einiger Zeit nicht mehr riechen oder uns an eine Geräuschkulisse gewöhnen, die uns zunächst stört.

Neuere Forschung

Wie wir bereits wissen, kommunizieren Neuronen durch die Erzeugung von Aktionspotentialen, die sind kann sich durch die von einem Neuron (sendend oder präsynaptisch) zu einem anderen (empfangend oder postsynaptisch) ausbreiten Synapse. Wenn also das präsynaptische Neuron das Aktionspotential erzeugt, kann das postsynaptische Neuron es empfangen und eine Reaktion erzeugen, die in diesem Fall schließlich ein neues Aktionspotential erzeugen kann postsynaptisch.

Unterschiedliche Sequenzen oder Züge von präsynaptischen Aktionspotentialen erzeugen im Allgemeinen unterschiedliche Ketten von postsynaptischen Aktionspotentialen. Das liegt daran Die neurowissenschaftliche Gemeinschaft glaubt, dass es einen "neuronalen Code" gibt, der mit dem Timing von Aktionspotentialen verbunden ist; Das heißt, dass dasselbe Neuron mehrere verschiedene Sequenzen von Aktionspotentialen verwenden könnte, um seinerseits verschiedene Arten von Informationen zu codieren.

Andererseits, die elektrische Aktivität eines Neurons ist normalerweise sicherlich variabel, und wird selten vollständig durch den Stimulus bestimmt. Vor aufeinanderfolgenden Wiederholungen desselben Stimulus antwortet das Neuron jedes Mal mit einer anderen Kette von Aktionspotentialen. Bisher konnten die Forscher weder die Reaktion von Neuronen auf Reize charakterisieren noch eindeutig bestimmen, wie Informationen kodiert werden.

Was bisher angenommen wurde, ist, dass alle Informationen, die in einem Zug von Aktionspotentialen gespeichert sind, in ihrer Frequenz kodiert sind; das heißt in der Anzahl der Aktionspotentiale, die pro Zeiteinheit auftreten. Aber in den letzten Jahren wurde die Möglichkeit untersucht, dass die genauen Zeitpunkte, zu denen jedes Aktionspotential auftritt, kritische Informationen enthalten können und sogar eine „neuronale Signatur“; also eine Art zeitliches Muster, das es ermöglichen würde, das emittierende Neuron zu identifizieren.

Die jüngsten Untersuchungen weisen auf die Entwicklung einer neuen Methode hin, die es ermöglichen würde, a zu charakterisieren Kette von Aktionspotentialen basierend auf den Zeiten von jedem der Aktionspotentiale der Dasselbe. Durch Anwendung dieses Verfahrens wäre es möglich, die verschiedenen Sequenzen auszurichten und zu bestimmen, welche Aktionspotentiale in jeder der Ketten äquivalent sind. Und mit diesen Informationen die statistische Verteilung, die jedem Aktionspotential in einem hypothetischen „idealen Zug“ folgt, könnte berechnet werden.

Dieser ideale Zug von Aktionspotentialen würde das gemeinsame Muster darstellen, von dem jeder der tatsächlichen Züge nur eine konkrete Verwirklichung ist. Einmal charakterisiert, wäre es möglich zu wissen, ob eine neue Kette von Aktionspotentialen zu der Verteilung passen könnte oder nicht, und daher zu wissen, ob sie dieselben Informationen kodiert. Dieses Konzept des idealen Zuges könnte interessante Implikationen für das Studium und die Interpretation des neuronalen Codes sowie für die Stärkung der Theorie der neuronalen Signaturen haben.

Bibliographische Referenzen:

• Strong, SP, Koberle, R., de Ruyter van Steveninck. R. R., Bialek, W. (1998). Entropie und Information in neuronalen Spike-Trains. Phys Rev Lett; 80: S. 197 - 200.