מהי רכבת של פוטנציאל פעולה?

רכבת או שרשרת של פוטנציאל פעולה (רכבת ספייק באנגלית) הוא רצף של רשומות זמניות שבהן נוירון יורה אותות חשמליים או דחפים עצביים. צורת התקשורת הספציפית הזו בין נוירונים היא מושא עניין ומחקר על ידי הקהילה המדעית המוחית, אם כי נותרו תשובות רבות.

במאמר זה נראה מהן הרכבות הללו של פוטנציאל הפעולה, מה משך הזמן והמבנה שלהן, במה מורכב מהמושג של קידוד עצבי ומה מצב המחקר כרגע בזה נושא.

• מאמר קשור: "סוגי נוירונים: מאפיינים ותפקודים"

מהי רכבת של פוטנציאל פעולה?

כדי להבין מה הן רכבות פוטנציאל פעולה, בואו נסתכל תחילה ממה מורכב פוטנציאל פעולה.

המוח שלנו מכיל בערך מאה מיליארד נוירונים שיורים אותות כדי לתקשר זה עם זה ללא הרף. האותות הללו הם אלקטרוכימיים באופיים ועוברים מגוף התא של נוירון, דרך האקסון או הנויריט שלו, אל הנוירון הבא.

כל אחד מהאותות או הדחפים החשמליים הללו ידוע כפוטנציאל פעולה. פוטנציאל פעולה מתרחש בתגובה לגירויים או באופן ספונטני, וכן כל זריקה נמשכת בדרך כלל אלפית שנייה.

הרכבת של פוטנציאל פעולה היא פשוט רצף משולב של ירי ואי ירי. כדי להקל על ההבנה: בואו נדמיין רצף דיגיטלי של אפסים ואחדות, כמו במערכת בינארית; היינו מקצים 1 עבור הנסיעה ו-0 עבור ללא נסיעה. במקרה זה, ניתן לקודד סדרת פוטנציאל פעולה כרצף מספרי, כגון: 00111100. שני האפסים הראשונים יציגו את זמן ההשהיה בין הצגת הגירוי לבין פוטנציאל הירי או הפעולה הראשון.

ניתן ליצור רכבות עם פוטנציאל פעולה באמצעות קלט חושי ישיר מראייה, מגע, קול או ריח; ו הם יכולים גם להיגרם על ידי גירויים מופשטים המופעלים על ידי שימוש בתהליכים קוגניטיביים כגון זיכרון (על ידי העלאת זכרונות, למשל).

• אולי יעניין אותך: "פוטנציאל פעולה: מה זה ומה השלבים שלו?"

משך ומבנה

משך הזמן והמבנה של סדרת פוטנציאל פעולה תלויים בדרך כלל בעוצמת ובמשך הגירוי. סוגים אלה של פוטנציאל פעולה בדרך כלל נמשכים ונשארים "פועלים" כל עוד הגירוי קיים.

עם זאת, לחלק מהנוירונים יש תכונות חשמליות מיוחדות הגורמות להם לייצר תגובה מתמשכת לגירוי קצר מאוד. בסוג זה של נוירונים, גירויים בעלי עוצמה רבה יותר נוטים לעורר רכבות ארוכות יותר של פוטנציאל פעולה..

כאשר פוטנציאל פעולה מתועד שוב ושוב מנוירון בתגובה לגירויים משתנים (או כאשר אורגניזם יוצר התנהגויות שונות), הם נוטים לשמור על מצב יחסית יַצִיב. עם זאת, דפוס הירי של כל רכבת פוטנציאל פעולה משתנה ככל שהגירוי משתנה; בדרך כלל, המהירות שבה נורות היריות (קצב האש) משתנה בהתאם לתנאים שונים.

קידוד עצבי

רכבות פוטנציאל פעולה היו וממשיכים לעניין את הקהילה מדעית המוח, לאור המוזרויות שלו. חוקרים רבים מנסים לברר במחקריהם איזה סוג של מידע מקודד בפוטנציאל הפעולה הללו וכיצד נוירונים מסוגלים לפענח אותו.

קידוד עצבי הוא תחום של מדעי המוח החוקר כיצד מידע חושי מיוצג במוח שלנו באמצעות רשתות עצביות. חוקרים נתקלים לא פעם בקושי רב בניסיון לפענח רכבות פוטנציאליות פעולה.

קשה לחשוב על שורה של פוטנציאל פעולה כעל התקן פלט בינארי בלבד.. לנוירונים יש סף הפעלה מינימלי ואש רק אם עוצמת הגירוי היא מעל הסף הזה. אם מוצג גירוי קבוע, תיווצר סדרת פוטנציאל פעולה. עם זאת, סף ההפעלה יגדל עם הזמן.

האחרון, שהוא מה שנקרא הסתגלות חושית, הוא תוצאה של תהליכים כמו דה-סנסיטיזציה סינפטית, ירידה בתגובה לגירוי הקבוע שנוצר בסינפסה (הקשר הכימי בין שני נוירונים).

תוצאה זו תוביל להפחתת הירי הקשור לגירוי, שבסופו של דבר יקטן לאפס. התהליך האמור עוזר למוח לא להיות עמוס במידע מהסביבה שנותר ללא שינוי. למשל, כשאחרי זמן מה אנחנו מפסיקים להריח את הבושם שמרחנו או כשאנחנו מסתגלים לרעש רקע שמפריע לנו בהתחלה.

מחקר אחרון

כפי שאנו כבר יודעים, נוירונים מתקשרים באמצעות יצירת פוטנציאל פעולה, שהם יכול להתפשט מנוירון אחד (שולח או קדם-סינפטי) לאחר (מקבל או פוסט-סינפטי) דרך סינפסה. לפיכך, כאשר הנוירון הפרה-סינפטי מייצר את פוטנציאל הפעולה, הנוירון הפוסט-סינפטי מסוגל לקבל אותו ליצור תגובה שבסופו של דבר יכולה לייצר פוטנציאל פעולה חדש, במקרה זה פוסט-סינפטי.

רצפים או רכבות שונות של פוטנציאל פעולה פרה-סינפטי מייצרים בדרך כלל שרשראות שונות של פוטנציאל פעולה פוסט-סינפטי. זה בגלל זה הקהילה מדעית המוח מאמינה שקיים "קוד עצבי" הקשור לתזמון של פוטנציאל פעולה; כלומר, שאותו נוירון יכול להשתמש בכמה רצפים שונים של פוטנציאל פעולה כדי לקודד, מצדו, סוגים שונים של מידע.

מצד שני, הפעילות החשמלית של נוירון היא בדרך כלל בהחלט משתנה, ולעתים רחוקות נקבע לחלוטין על ידי הגירוי. לפני חזרות רצופות של אותו גירוי, הנוירון יגיב בכל פעם בשרשרת שונה של פוטנציאל פעולה. עד כה, החוקרים לא הצליחו לאפיין את תגובת הנוירונים לגירויים, וגם לא הצליחו לקבוע בבירור כיצד המידע מקודד.

מה שחשבו עד עכשיו הוא שכל המידע המאוחסן בשרשרת של פוטנציאל פעולה מקודד בתדר שלו; כלומר, במספר פוטנציאל הפעולה המתרחש ליחידת זמן. אבל בשנים האחרונות נבדקת האפשרות שהרגעים המדויקים שבהם מתרחש כל פוטנציאל פעולה עשויים להכיל מידע קריטי ואף "חתימה עצבית"; כלומר, מעין דפוס זמני שיאפשר לזהות את הנוירון הפולט.

החקירות האחרונות מצביעות על עיצוב שיטה חדשה שתאפשר אפיון א שרשרת פוטנציאל הפעולה המבוססת על הזמנים של כל אחד מפוטנציאל הפעולה של אותו. על ידי יישום הליך זה, ניתן יהיה ליישר את הרצפים השונים ולקבוע אילו פוטנציאל פעולה שקול בכל אחת מהשרשרות. ועם המידע הזה, ניתן לחשב את ההתפלגות הסטטיסטית העוקבת אחרי כל פוטנציאל פעולה ב"רכבת אידיאלית" היפותטית.

אותה רכבת אידיאלית של פוטנציאל פעולה תייצג את התבנית המשותפת, שכל אחת מהרכבות בפועל היא רק מימוש קונקרטי. לאחר שתאפיין, ניתן יהיה לדעת אם שרשרת חדשה של פוטנציאל פעולה יכולה להתאים להתפלגות או לא, ולכן לדעת אם היא מקודדת את אותו מידע. למושג זה של הרכבת האידיאלית עשויות להיות השלכות מעניינות על לימוד ופירוש הקוד העצבי, כמו גם על חיזוק התיאוריה של חתימות עצביות.

הפניות ביבליוגרפיות:

• Strong, S.P., Koberle, R., de Ruyter van Steveninck. ר.ר., ביאלק, ו. (1998). אנטרופיה ומידע ברכבות קוצים עצביים. Phys Rev Lett; 80: עמ' 197 - 200.