Τι είναι ένα τρένο δυνατοτήτων δράσης;

Ένα τρένο ή μια αλυσίδα δυνατοτήτων δράσης (τρένο ακίδα στα αγγλικά) είναι μια ακολουθία χρονικών εγγραφών στην οποία ένας νευρώνας εκπέμπει ηλεκτρικά σήματα ή νευρικές ώσεις. Η συγκεκριμένη μορφή επικοινωνίας μεταξύ των νευρώνων αποτελεί αντικείμενο ενδιαφέροντος και μελέτης από τη νευροεπιστημονική κοινότητα, αν και πολλές απαντήσεις απομένουν να απαντηθούν.

Σε αυτό το άρθρο θα δούμε τι είναι αυτά τα τρένα δυναμικών δράσης, ποια είναι η διάρκεια και η δομή τους, σε τι αποτελείται από την έννοια της νευρωνικής κωδικοποίησης και την κατάσταση της έρευνας σε αυτό θέμα.

• Σχετικό άρθρο: "Τύποι νευρώνων: χαρακτηριστικά και λειτουργίες"

Τι είναι ένα τρένο δυνατοτήτων δράσης;

Για να κατανοήσουμε τι είναι τα τρένα δυναμικού δράσης, ας δούμε πρώτα τι αποτελείται από ένα δυναμικό δράσης.

Ο εγκέφαλός μας περιέχει περίπου εκατοντάδες δισεκατομμύρια νευρώνες εκπέμπουν σήματα για να επικοινωνούν συνεχώς μεταξύ τους. Αυτά τα σήματα είναι ηλεκτροχημικής φύσης και ταξιδεύουν από το κυτταρικό σώμα ενός νευρώνα, μέσω του άξονα ή του νευρίτη του, στον επόμενο νευρώνα.

Κάθε ένα από αυτά τα ηλεκτρικά σήματα ή παλμούς είναι γνωστό ως δυναμικό δράσης. Οι δυνατότητες δράσης εμφανίζονται ως απόκριση σε ερεθίσματα ή αυθόρμητα, και κάθε λήψη διαρκεί συνήθως 1 χιλιοστό του δευτερολέπτου.

Ένα τρένο δυναμικών δράσης είναι απλώς μια συνδυασμένη ακολουθία πυροδότησης και μη πυροδότησης. Για να γίνει πιο κατανοητό: ας φανταστούμε μια ψηφιακή ακολουθία μηδενικών και μονάδων, όπως σε ένα δυαδικό σύστημα. θα εκχωρούσαμε ένα 1 για το ταξίδι και ένα 0 για το μη ταξίδι. Σε αυτήν την περίπτωση, μια σειρά δυναμικών δράσης θα μπορούσε να κωδικοποιηθεί ως αριθμητική ακολουθία, όπως: 00111100. Τα δύο πρώτα μηδενικά αντιπροσωπεύουν τον χρόνο καθυστέρησης μεταξύ της παρουσίασης του ερεθίσματος και του πρώτου δυναμικού πυροδότησης ή δράσης.

Τα τρένα με δυνατότητα δράσης μπορούν να δημιουργηθούν μέσω άμεσης αισθητηριακής εισροής από την όραση, την αφή, τον ήχο ή την όσφρηση. και μπορούν επίσης να προκληθούν από αφηρημένα ερεθίσματα που προκαλούνται από τη χρήση γνωστικών διαδικασιών όπως η μνήμη (για παράδειγμα, ξυπνώντας αναμνήσεις).

• Μπορεί να σας ενδιαφέρει: "Δυνατότητα δράσης: τι είναι και ποιες οι φάσεις του;"

διάρκεια και δομή

Η διάρκεια και η δομή μιας σειράς δυναμικών δράσης εξαρτώνται γενικά από την ένταση και τη διάρκεια του ερεθίσματος. Αυτοί οι τύποι δυναμικών δράσης συνήθως διαρκούν και παραμένουν «ενεργοί» για όσο διάστημα υπάρχει το ερέθισμα.

Ωστόσο, ορισμένοι νευρώνες έχουν ειδικές ηλεκτρικές ιδιότητες που τους αναγκάζουν να παράγουν μια παρατεταμένη απόκριση σε ένα πολύ σύντομο ερέθισμα. Σε αυτόν τον τύπο νευρώνων, τα ερεθίσματα μεγαλύτερης έντασης τείνουν να προκαλούν μεγαλύτερες ομάδες δυναμικών δράσης..

Όταν τα δυναμικά δράσης καταγράφονται επανειλημμένα από έναν νευρώνα ως απόκριση σε ερεθίσματα αλλάζουν (ή όταν ένας οργανισμός δημιουργεί διαφορετικές συμπεριφορές), τείνουν να διατηρούν ένα σχετικά σταθερός. Ωστόσο, το σχέδιο πυροδότησης κάθε σειράς δυναμικών δράσης ποικίλλει καθώς αλλάζει το ερέθισμα. Γενικά, η ταχύτητα με την οποία εκτοξεύονται οι βολές (ο ρυθμός βολής) αλλάζει ανάλογα με τις διαφορετικές συνθήκες.

νευρωνική κωδικοποίηση

τρένα με δυνατότητες δράσης ήταν και συνεχίζουν να ενδιαφέρουν τη νευροεπιστημονική κοινότητα, δεδομένων των ιδιαιτεροτήτων του. Πολλοί ερευνητές προσπαθούν να ανακαλύψουν στις μελέτες τους τι είδους πληροφορίες κωδικοποιούνται σε αυτά τα δυναμικά δράσης και πώς οι νευρώνες είναι σε θέση να τις αποκωδικοποιήσουν.

Η νευρωνική κωδικοποίηση είναι ένα πεδίο της νευροεπιστήμης που μελετά τον τρόπο με τον οποίο οι αισθητηριακές πληροφορίες αναπαρίστανται στον εγκέφαλό μας μέσω νευρωνικών δικτύων. Οι ερευνητές συχνά αντιμετωπίζουν μεγάλη δυσκολία στην προσπάθειά τους να αποκρυπτογραφήσουν τα τρένα δυναμικής δράσης.

Είναι δύσκολο να σκεφτεί κανείς μια σειρά δυναμικών δράσης ως μια καθαρά δυαδική συσκευή εξόδου.. Οι νευρώνες έχουν ένα ελάχιστο όριο ενεργοποίησης και πυροδοτούνται μόνο εάν η ένταση του ερεθίσματος είναι πάνω από αυτό το όριο. Εάν παρουσιαστεί ένα σταθερό ερέθισμα, θα δημιουργηθεί μια σειρά δυνατοτήτων δράσης. Ωστόσο, το όριο ενεργοποίησης θα αυξηθεί με την πάροδο του χρόνου.

Το τελευταίο, που είναι αυτό που ονομάζεται αισθητηριακή προσαρμογή, είναι αποτέλεσμα διαδικασιών όπως η συναπτική απευαισθητοποίηση, μείωση της απόκρισης στο σταθερό ερέθισμα που παράγεται στη σύναψη (τη χημική σύνδεση μεταξύ δύο νευρώνων).

Αυτό το αποτέλεσμα θα οδηγήσει σε μείωση της πυροδότησης που σχετίζεται με το ερέθισμα, η οποία τελικά θα μειωθεί στο μηδέν. η εν λόγω διαδικασία βοηθά τον εγκέφαλο να μην υπερφορτώνεται με πληροφορίες από το περιβάλλον που παραμένουν αναλλοίωτες. Για παράδειγμα, όταν μετά από λίγο σταματάμε να μυρίζουμε το άρωμα που έχουμε εφαρμόσει ή όταν προσαρμοζόμαστε σε έναν θόρυβο περιβάλλοντος που αρχικά μας ενοχλεί.

Πρόσφατη έρευνα

Όπως ήδη γνωρίζουμε, οι νευρώνες επικοινωνούν μέσω της δημιουργίας δυναμικών δράσης, τα οποία είναι μπορεί να εξαπλωθεί από έναν νευρώνα (αποστολέα ή προσυναπτικό) στον άλλο (λήπτη ή μετασυναπτικό) μέσω του σύναψη. Έτσι, όταν ο προσυναπτικός νευρώνας δημιουργεί το δυναμικό δράσης, ο μετασυναπτικός νευρώνας είναι σε θέση να το λάβει και δημιουργήσει μια απόκριση που, τελικά, μπορεί να παράγει ένα νέο δυναμικό δράσης, σε αυτήν την περίπτωση μετασυναπτική.

Διαφορετικές αλληλουχίες ή συρμοί δυναμικών προσυναπτικής δράσης γενικά παράγουν διαφορετικές αλυσίδες δυναμικών μετασυναπτικής δράσης. Είναι εξαιτίας αυτού η νευροεπιστημονική κοινότητα πιστεύει ότι υπάρχει ένας «νευρικός κώδικας» που σχετίζεται με το χρονισμό των δυνατοτήτων δράσης; Δηλαδή, ότι ο ίδιος νευρώνας θα μπορούσε να χρησιμοποιεί πολλές διαφορετικές ακολουθίες δυναμικών δράσης για να κωδικοποιήσει, από την πλευρά του, διαφορετικούς τύπους πληροφοριών.

Αφ 'ετέρου, η ηλεκτρική δραστηριότητα ενός νευρώνα είναι συνήθως σίγουρα μεταβλητή, και σπάνια καθορίζεται εξ ολοκλήρου από το ερέθισμα. Πριν από διαδοχικές επαναλήψεις του ίδιου ερεθίσματος, ο νευρώνας θα ανταποκρίνεται κάθε φορά με διαφορετική αλυσίδα δυναμικών δράσης. Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές δεν μπόρεσαν να χαρακτηρίσουν την απόκριση των νευρώνων στα ερεθίσματα, ούτε κατάφεραν να προσδιορίσουν με σαφήνεια τον τρόπο κωδικοποίησης των πληροφοριών.

Αυτό που είχε σκεφτεί μέχρι τώρα είναι ότι όλες οι πληροφορίες που ήταν αποθηκευμένες σε ένα συρμό δυναμικών δράσης κωδικοποιούνταν στη συχνότητά του. δηλαδή στον αριθμό των δυναμικών δράσης που εμφανίζονται ανά μονάδα χρόνου. Όμως τα τελευταία χρόνια, διερευνάται η πιθανότητα ότι οι ακριβείς στιγμές στις οποίες εμφανίζεται κάθε δυναμικό δράσης μπορεί να περιέχουν κρίσιμες πληροφορίες και ακόμη μια «νευρική υπογραφή»; δηλαδή ένα είδος χρονικού σχεδίου που θα επέτρεπε την αναγνώριση του εκπεμπόμενου νευρώνα.

Οι πιο πρόσφατες έρευνες δείχνουν τον σχεδιασμό μιας νέας μεθόδου που θα επέτρεπε τον χαρακτηρισμό α αλυσίδα δυναμικών δράσης με βάση τους χρόνους καθενός από τα δυναμικά δράσης του ίδιο. Εφαρμόζοντας αυτή τη διαδικασία, θα ήταν δυνατό να ευθυγραμμιστούν οι διαφορετικές ακολουθίες και να προσδιοριστούν ποια δυναμικά δράσης είναι ισοδύναμα σε κάθε μία από τις αλυσίδες. Και με αυτές τις πληροφορίες, θα μπορούσε να υπολογιστεί η στατιστική κατανομή που ακολουθεί κάθε δυναμικό δράσης σε ένα υποθετικό «ιδανικό τρένο»..

Αυτό το ιδανικό συρμό δυνατοτήτων δράσης θα αντιπροσώπευε το κοινό μοτίβο, του οποίου καθένα από τα πραγματικά τρένα είναι μόνο μια συγκεκριμένη υλοποίηση. Μόλις χαρακτηριστεί, θα ήταν δυνατό να γνωρίζουμε εάν μια νέα αλυσίδα δυναμικών δράσης θα μπορούσε να ταιριάζει στη διανομή ή όχι, και επομένως να γνωρίζουμε εάν κωδικοποιεί την ίδια πληροφορία. Αυτή η ιδέα του ιδανικού τρένου θα μπορούσε να έχει ενδιαφέρουσες συνέπειες για τη μελέτη και την ερμηνεία του νευρικού κώδικα, καθώς και για την ενίσχυση της θεωρίας των νευρικών υπογραφών.

Βιβλιογραφικές αναφορές:

• Strong, S.P., Koberle, R., de Ruyter van Steveninck. R.R., Bialek, W. (1998). Εντροπία και πληροφορίες σε τρένα νευρωνικών ακίδων. Phys Rev Lett; 80: σελ. 197 - 200.