Co to jest ciąg potencjałów czynnościowych?

Pociąg lub łańcuch potencjałów czynnościowych (pociąg z kolcami w języku angielskim) to sekwencja zapisów czasowych, w których neuron wysyła sygnały elektryczne lub impulsy nerwowe. Ta szczególna forma komunikacji między neuronami jest przedmiotem zainteresowania i badań społeczności neuronaukowej, chociaż wiele odpowiedzi pozostaje do rozwiązania.

W tym artykule zobaczymy, czym są te ciągi potencjałów czynnościowych, jaki jest ich czas trwania i struktura, w czym składa się z koncepcji kodowania neuronowego i jaki jest obecnie stan badań w tym zakresie temat.

• Powiązany artykuł: „Rodzaje neuronów: charakterystyka i funkcje"

Co to jest ciąg potencjałów czynnościowych?

Aby zrozumieć, czym są pociągi potencjału czynnościowego, przyjrzyjmy się najpierw, z czego składa się potencjał czynnościowy.

Nasz mózg zawiera ok setki miliardów neuronów wysyłających sygnały, aby stale się ze sobą komunikować. Sygnały te mają charakter elektrochemiczny i przemieszczają się z ciała komórki neuronu, przez jego akson lub neuryt, do następnego neuronu.

Każdy z tych sygnałów elektrycznych lub impulsów jest znany jako potencjał czynnościowy. Potencjały czynnościowe występują w odpowiedzi na bodźce lub spontanicznie i każdy strzał trwa zwykle 1 milisekundę.

Ciąg potencjałów czynnościowych to po prostu połączona sekwencja wystrzeliwania i nie wystrzeliwania. Aby ułatwić zrozumienie: wyobraźmy sobie cyfrową sekwencję zer i jedynek, jak w systemie dwójkowym; przypiszemy 1 dla podróży i 0 dla braku podróży. W takim przypadku ciąg potencjałów czynnościowych można zakodować jako sekwencję liczbową, na przykład: 00111100. Pierwsze dwa zera oznaczałyby czas opóźnienia między prezentacją bodźca a pierwszym odpaleniem lub potencjałem czynnościowym.

Pociągi potencjału czynnościowego można generować poprzez bezpośrednie bodźce zmysłowe pochodzące z wzroku, dotyku, dźwięku lub zapachu; I mogą być również indukowane przez abstrakcyjne bodźce wyzwalane przez wykorzystanie procesów poznawczych, takich jak pamięć (na przykład przywołując wspomnienia).

• Możesz być zainteresowany: "Potencjał czynnościowy: co to jest i jakie są jego fazy?"

czas trwania i struktura

Czas trwania i struktura ciągu potencjałów czynnościowych ogólnie zależą od intensywności i czasu trwania bodźca. Tego typu potencjały czynnościowe zwykle trwają i pozostają „włączone” tak długo, jak długo obecny jest bodziec.

Jednak niektóre neurony mają specjalne właściwości elektryczne, które powodują, że wytwarzają trwałą reakcję na bardzo krótki bodziec. W tego typu neuronach bodźce o większej intensywności mają tendencję do wywoływania dłuższych ciągów potencjałów czynnościowych..

Gdy potencjały czynnościowe są wielokrotnie rejestrowane z neuronu w odpowiedzi na bodźce zmieniających się (lub gdy organizm generuje różne zachowania), mają tendencję do utrzymywania się względnie stabilny. Jednak wzór odpalania każdego ciągu potencjałów czynnościowych zmienia się wraz ze zmianą bodźca; Ogólnie rzecz biorąc, prędkość, z jaką oddawane są strzały (szybkostrzelność) zmienia się w zależności od różnych warunków.

kodowanie neuronowe

pociągi potencjału czynnościowego były i nadal są przedmiotem zainteresowania społeczności neurobiologicznej, biorąc pod uwagę jego specyfikę. Wielu badaczy próbuje w swoich badaniach dowiedzieć się, jakie informacje są zakodowane w tych potencjałach czynnościowych i jak neurony są w stanie je rozszyfrować.

Kodowanie neuronowe to dziedzina neuronauki, która bada, w jaki sposób informacje sensoryczne są reprezentowane w naszym mózgu za pomocą sieci neuronowych. Badacze często napotykają duże trudności próbując rozszyfrować pociągi potencjału czynnościowego.

Trudno jest myśleć o pociągu potencjałów czynnościowych jako o czysto binarnym urządzeniu wyjściowym.. Neurony mają minimalny próg aktywacji i aktywują się tylko wtedy, gdy intensywność bodźca przekracza ten próg. Jeśli prezentowany jest stały bodziec, zostanie wygenerowany ciąg potencjałów czynnościowych. Próg aktywacji będzie jednak wzrastał z czasem.

To drugie, czyli tak zwana adaptacja sensoryczna, jest w wyniku procesów takich jak desensytyzacja synaptyczna, spadek odpowiedzi na stały bodziec wytwarzany w synapsie (połączenie chemiczne między dwoma neuronami).

Wynik ten doprowadzi do zmniejszenia wyładowania związanego z bodźcem, które ostatecznie zmniejszy się do zera. wspomniany proces pomaga mózgowi nie być przeładowanym informacjami z otoczenia, które pozostaje niezmienione. Na przykład, gdy po pewnym czasie przestajemy wąchać perfumy, które nałożyliśmy lub gdy przystosowujemy się do hałasu tła, który początkowo nam przeszkadza.

Najnowsze badania

Jak już wiemy, neurony komunikują się poprzez generowanie potencjałów czynnościowych, którymi są może rozprzestrzeniać się z jednego neuronu (nadawczego lub presynaptycznego) do innego (odbiorczego lub postsynaptycznego) poprzez synapsa. Tak więc, gdy neuron presynaptyczny generuje potencjał czynnościowy, neuron postsynaptyczny jest w stanie go otrzymać i wygenerować odpowiedź, która ostatecznie może wytworzyć nowy potencjał czynnościowy, w tym przypadku postsynaptyczny.

Różne sekwencje lub ciągi presynaptycznych potencjałów czynnościowych na ogół wytwarzają różne łańcuchy postsynaptycznych potencjałów czynnościowych. To z tego powodu społeczność neuronaukowa uważa, że ​​istnieje „kod neuronowy” związany z synchronizacją potencjałów czynnościowych; to znaczy, że ten sam neuron może wykorzystywać kilka różnych sekwencji potencjałów czynnościowych do kodowania różnych rodzajów informacji.

Z drugiej strony, aktywność elektryczna neuronu jest zwykle z pewnością zmiennai rzadko jest całkowicie zdeterminowany przez bodziec. Przed kolejnymi powtórzeniami tego samego bodźca neuron za każdym razem odpowie innym łańcuchem potencjałów czynnościowych. Jak dotąd badaczom nie udało się scharakteryzować reakcji neuronów na bodźce, ani jednoznacznie określić, w jaki sposób kodowana jest informacja.

Do tej pory myślano, że wszystkie informacje przechowywane w ciągu potencjałów czynnościowych były zakodowane w jego częstotliwości; to znaczy w liczbie potencjałów czynnościowych, które występują w jednostce czasu. Ale w ostatnich latach badana jest możliwość, że dokładne momenty, w których pojawia się każdy potencjał czynnościowy, mogą zawierać krytyczne informacje, a nawet „podpis neuronowy”; to znaczy rodzaj wzorca czasowego, który pozwoliłby zidentyfikować emitujący neuron.

Najnowsze badania wskazują na zaprojektowanie nowej metody, która pozwoliłaby scharakteryzować a łańcuch potencjałów czynnościowych oparty na czasach każdego z potencjałów czynnościowych To samo. Stosując tę ​​​​procedurę, możliwe byłoby wyrównanie różnych sekwencji i określenie, które potencjały czynnościowe są równoważne w każdym z łańcuchów. I z tą informacją można obliczyć rozkład statystyczny następujący po każdym potencjale czynnościowym w hipotetycznym „pociągu idealnym”..

Ten idealny ciąg potencjałów czynnościowych reprezentowałby wspólny wzorzec, z którego każdy z rzeczywistych pociągów jest tylko konkretną realizacją. Po scharakteryzowaniu można byłoby wiedzieć, czy nowy łańcuch potencjałów czynnościowych mógłby pasować do rozkładu, czy nie, a zatem wiedzieć, czy koduje te same informacje. Ta koncepcja idealnego pociągu może mieć interesujące implikacje dla badania i interpretacji kodu neuronowego, a także dla wzmocnienia teorii sygnatur neuronowych.

Odniesienia bibliograficzne:

• Strong, SP, Koberle, R., de Ruyter van Steveninck. R.R., Białek, W. (1998). Entropia i informacja w neuronowych ciągach impulsów. Phys Rev Lett; 80: s. 197 - 200.