Con la mia visione di come funziona il cervello e quali sono i modi possibili per creare l'intelligenza artificiale. Da allora sono stati compiuti progressi significativi. Qualcosa si è rivelato più profondo, qualcosa è stato simulato su un computer. La cosa bella è che ci sono persone che la pensano allo stesso modo che partecipano attivamente al lavoro sul progetto.
In questa serie di articoli intendiamo parlare del concetto di intelligenza su cui stiamo attualmente lavorando e dimostrare alcune soluzioni fondamentalmente nuove nel campo della modellazione del cervello. Ma affinché la narrazione sia comprensibile e coerente, conterrà non solo una descrizione di nuove idee, ma anche una storia sul lavoro del cervello in generale. Alcune cose, soprattutto all'inizio, possono sembrare semplici e conosciute, ma ti consiglio di non tralasciarle, poiché determinano in gran parte l'evidenza complessiva della storia.
Comprensione generale del cervello
Le cellule nervose, sono anche neuroni, insieme alle loro fibre che trasmettono i segnali, formano il sistema nervoso. Nei vertebrati la maggior parte dei neuroni è concentrata nella cavità cranica e nel canale spinale. Questo è chiamato sistema nervoso centrale. Di conseguenza, come suoi componenti si distinguono il cervello e il midollo spinale.
Il midollo spinale raccoglie i segnali dalla maggior parte dei recettori del corpo e li trasmette al cervello. Attraverso le strutture del talamo vengono distribuiti e proiettati sulla corteccia cerebrale.
Oltre agli emisferi cerebrali, l'elaborazione delle informazioni è coinvolta anche nel cervelletto, che, di fatto, è un piccolo cervello indipendente. Il cervelletto fornisce capacità motorie fini e coordinazione di tutti i movimenti.
Vista, udito e olfatto forniscono al cervello un flusso di informazioni sul mondo esterno. Ciascuno dei componenti di questo flusso, dopo aver attraversato il proprio tratto, viene proiettato anche sulla corteccia. La corteccia è uno strato di materia grigia spesso da 1,3 a 4,5 mm che costituisce la superficie esterna del cervello. A causa delle convoluzioni formate dalle pieghe, la corteccia è compattata in modo tale da occupare un'area tre volte inferiore rispetto a quando è aperta. L'area totale della corteccia di un emisfero è di circa 7000 cmq.
Di conseguenza, tutti i segnali vengono proiettati sulla corteccia. La proiezione viene effettuata da fasci di fibre nervose, distribuiti su aree limitate della corteccia. L'area su cui vengono proiettate le informazioni esterne o quelle provenienti da altre parti del cervello forma un'area corticale. A seconda dei segnali ricevuti su tale zona, ha la propria specializzazione. Ci sono l'area della corteccia motoria, l'area sensoriale, l'area di Broca, l'area di Wernicke, le aree visive, il lobo occipitale, in totale circa un centinaio di aree diverse.
In direzione verticale la corteccia è solitamente divisa in sei strati. Questi strati non hanno confini chiari e sono determinati dalla predominanza dell'uno o dell'altro tipo di cellula. In diverse aree della corteccia, questi strati possono essere espressi in modo diverso, più forti o più deboli. Ma, in generale, possiamo dire che la corteccia è abbastanza universale e supporre che il funzionamento delle sue diverse zone sia soggetto agli stessi principi.
Strati della corteccia
Le fibre afferenti trasportano segnali alla corteccia. Raggiungono il livello III, IV della corteccia, dove si distribuiscono tra i neuroni adiacenti al punto in cui colpisce la fibra afferente. La maggior parte dei neuroni ha connessioni assonali all'interno della propria area della corteccia. Ma alcuni neuroni hanno assoni che si estendono oltre. Attraverso queste fibre efferenti, i segnali escono dal cervello, ad esempio, verso gli organi esecutivi, oppure vengono proiettati ad altre parti della corteccia dell'uno o dell'altro emisfero. A seconda della direzione di trasmissione del segnale, le fibre efferenti sono solitamente suddivise in:
- fibre associative che collegano singole parti della corteccia di un emisfero;
- fibre commissurali che collegano la corteccia dei due emisferi;
- fibre di proiezione che collegano la corteccia ai nuclei delle parti inferiori del sistema nervoso centrale.
Puoi immaginare la corteccia cerebrale come una grande tela, tagliata in zone separate. Lo schema dell'attività neuronale in ciascuna zona codifica determinate informazioni. Fasci di fibre nervose formati da assoni che si estendono oltre la loro zona corticale formano un sistema di connessioni di proiezione. Alcune informazioni vengono proiettate su ciascuna zona. Inoltre, una zona può ricevere contemporaneamente più flussi di informazioni, che possono provenire sia dalla zona del proprio emisfero opposto che da quella opposta. Ogni flusso di informazioni è come una sorta di quadro disegnato dall'attività degli assoni del fascio nervoso. Il funzionamento di una zona separata della corteccia è la ricezione di numerose proiezioni, la memorizzazione delle informazioni, la loro elaborazione, la formazione della propria immagine di attività e l'ulteriore proiezione di informazioni risultanti dal lavoro di questa zona.
Una parte significativa del cervello è costituita da materia bianca. È formato da assoni di neuroni che creano gli stessi percorsi di proiezione. Nell'immagine qui sotto, la sostanza bianca può essere vista come un leggero riempimento tra la corteccia e le strutture interne del cervello.
Distribuzione della sostanza bianca nella sezione frontale del cervello
Utilizzando la risonanza magnetica spettrale diffusa, è stato possibile tracciare la direzione delle singole fibre e costruire un modello tridimensionale della connettività delle zone corticali (progetto Connectomics (Connectome)).
Le figure seguenti danno una buona idea della struttura dei collegamenti (Van J. Wedeen, Douglas L. Rosene, Ruopeng Wang, Guangping Dai, Farzad Mortazavi, Patric Hagmann, Jon H. Kaas, Wen-Yih I. Tseng, 2012).
Vista dall'emisfero sinistro
Vista posteriore
Vista lato destro
A proposito, nella vista posteriore, l'asimmetria dei percorsi di proiezione degli emisferi sinistro e destro è chiaramente visibile. Questa asimmetria determina in gran parte le differenze nelle funzioni che gli emisferi acquisiscono man mano che apprendono.
Neurone
La base del cervello è il neurone. Naturalmente, la modellazione del cervello utilizzando le reti neurali inizia con la risposta alla domanda su qual è il principio del suo funzionamento.
Il funzionamento di un vero neurone si basa su processi chimici. A riposo, esiste una differenza di potenziale tra l'ambiente interno ed esterno del neurone: il potenziale di membrana, che è di circa 75 millivolt. Si forma grazie al lavoro di speciali molecole proteiche che funzionano come pompe sodio-potassio. Queste pompe, grazie all'energia del nucleotide ATP, spingono gli ioni di potassio all'interno e gli ioni di sodio fuori dalla cellula. Poiché la proteina in questo caso agisce come un'ATPasi, cioè un enzima che idrolizza l'ATP, viene chiamata così: "ATPasi sodio-potassio". Di conseguenza, il neurone si trasforma in un condensatore carico con una carica negativa all'interno e una carica positiva all'esterno.
Schema di un neurone (Mariana Ruiz Villarreal)
La superficie del neurone è ricoperta da processi ramificati: dendriti. Le terminazioni degli assoni di altri neuroni sono adiacenti ai dendriti. I luoghi in cui si collegano sono chiamati sinapsi. Attraverso l'interazione sinaptica, il neurone è in grado di rispondere ai segnali in arrivo e, in determinate circostanze, generare un proprio impulso, chiamato picco.
La trasmissione del segnale nelle sinapsi avviene a causa di sostanze chiamate neurotrasmettitori. Quando un impulso nervoso entra in una sinapsi lungo un assone, rilascia molecole di neurotrasmettitori caratteristiche di questa sinapsi da vescicole speciali. Sulla membrana del neurone che riceve il segnale ci sono molecole proteiche - recettori. I recettori interagiscono con i neurotrasmettitori.
sinapsi chimica
I recettori situati nella fessura sinaptica sono ionotropi. Questo nome sottolinea il fatto che sono anche canali ionici capaci di spostare gli ioni. I neurotrasmettitori agiscono sui recettori in modo tale che i loro canali ionici si aprano. Di conseguenza, la membrana si depolarizza o si iperpolarizza, a seconda di quali canali sono interessati e, di conseguenza, del tipo di questa sinapsi. Nelle sinapsi eccitatorie si aprono canali che consentono ai cationi di entrare nella cellula: la membrana si depolarizza. Nelle sinapsi inibitorie si aprono canali che conducono anioni, il che porta all'iperpolarizzazione della membrana.
In determinate circostanze, le sinapsi possono modificare la loro sensibilità, fenomeno chiamato plasticità sinaptica. Ciò porta al fatto che le sinapsi di un neurone acquisiscono diversa suscettibilità ai segnali esterni.
Contemporaneamente, molti segnali arrivano alle sinapsi di un neurone. Le sinapsi inibitorie tirano il potenziale di membrana nella direzione dell'accumulo di carica all'interno della gabbia. Attivando le sinapsi, invece, si tenta di scaricare il neurone (figura sotto).
Eccitazione (A) e inibizione (B) della cellula gangliare retinica (Nicholls J., Martin R., Wallas B., Fuchs P., 2003)
Quando l'attività totale supera la soglia di inizio, si verifica una scarica, chiamata potenziale d'azione o picco. Un picco è una forte depolarizzazione della membrana neuronale, che genera un impulso elettrico. L'intero processo di generazione dell'impulso dura circa 1 millisecondo. Allo stesso tempo, né la durata né l'ampiezza dell'impulso dipendono da quanto fossero forti le cause che lo hanno provocato (Figura sotto).
Registrazione del potenziale d'azione di una cellula gangliare (Nicholls J., Martin R., Wallas B., Fuchs P., 2003)
Dopo il picco, le pompe ioniche assicurano la ricaptazione del neurotrasmettitore e la pulizia della fessura sinaptica. Durante il periodo refrattario successivo al picco, il neurone non è in grado di generare nuovi impulsi. La durata di questo periodo determina la frequenza di generazione massima di cui il neurone è capace.
I picchi che si verificano come risultato dell'attività delle sinapsi sono chiamati evocati. La frequenza del picco evocato codifica quanto bene il segnale in ingresso corrisponde all'impostazione della sensibilità delle sinapsi del neurone. Quando i segnali in arrivo cadono proprio sulle sinapsi sensibili che attivano il neurone, e questo non interferisce con i segnali che arrivano alle sinapsi inibitorie, allora la risposta del neurone è massima. L'immagine descritta da tali segnali è chiamata stimolo caratteristico del neurone.
Naturalmente, l’idea di come funzionano i neuroni non dovrebbe essere semplificata eccessivamente. Le informazioni tra alcuni neuroni possono essere trasmesse non solo tramite picchi, ma anche attraverso canali che collegano i loro contenuti intracellulari e trasmettono direttamente il potenziale elettrico. Tale propagazione è detta graduale e la connessione stessa è chiamata sinapsi elettrica. I dendriti, a seconda della distanza dal corpo del neurone, sono divisi in prossimali (vicini) e distali (remoti). I dendriti distali possono formare sezioni che funzionano come unità semi-autonome. Oltre alle vie sinaptiche di eccitazione, esistono meccanismi extrasinaptici che causano picchi metabotropici. Oltre all’attività evocata esiste anche l’attività spontanea. Infine, i neuroni cerebrali sono circondati da cellule gliali, che hanno anche un impatto significativo sui processi in corso.
Il lungo percorso dell'evoluzione ha creato molti meccanismi utilizzati dal cervello nel suo lavoro. Alcuni di essi possono essere compresi da soli, il significato di altri diventa chiaro solo se si considerano interazioni piuttosto complesse. Pertanto, la descrizione del neurone sopra riportata non deve essere considerata esaustiva. Per passare a modelli più profondi, dobbiamo prima comprendere le proprietà “di base” dei neuroni.
Nel 1952, Alan Lloyd Hodgkin e Andrew Huxley descrissero i meccanismi elettrici che governano la generazione e la trasmissione di un segnale nervoso nell'assone del calamaro gigante (Hodgkin, 1952). A cui fu assegnato il Premio Nobel per la Fisiologia e la Medicina nel 1963. Il modello Hodgkin-Huxley descrive il comportamento di un neurone mediante un sistema di equazioni differenziali ordinarie. Queste equazioni corrispondono a un processo di autowave in un mezzo attivo. Tengono conto di molti componenti, ognuno dei quali ha la propria controparte biofisica in una cellula reale (Figura sotto). Le pompe ioniche corrispondono alla sorgente di corrente I p . Lo strato lipidico interno della membrana cellulare forma un condensatore con una capacità di C m . I canali ionici dei recettori sinaptici forniscono conduttività elettrica g n , che dipende dai segnali applicati, che cambiano con il tempo t, e dal valore totale del potenziale di membrana V. La corrente di dispersione dei pori della membrana crea un conduttore g L . Il movimento degli ioni attraverso i canali ionici avviene sotto l'azione di gradienti elettrochimici, che corrispondono a sorgenti di tensione con forza elettromotrice E n ed E L .
Componenti principali del modello Hodgkin-Huxley
Naturalmente, quando si creano reti neurali, si desidera semplificare il modello del neurone, lasciando in esso solo le proprietà più essenziali. Il modello semplificato più famoso e popolare è il neurone artificiale McCulloch-Pitts, sviluppato all'inizio degli anni Quaranta (McCulloch J., Pitts W., 1956). 
Neurone formale di McCulloch-Pitts
I segnali vengono inviati agli input di tale neurone. Questi segnali vengono sommati in modo ponderato. Inoltre, a questa combinazione lineare viene applicata una certa funzione di attivazione non lineare, ad esempio sigmoidale. Spesso la funzione logistica viene utilizzata come funzione sigmoidale: 
Funzione logistica
In questo caso, l'attività di un neurone formale viene scritta come
Di conseguenza, un tale neurone si trasforma in un sommatore di soglia. Con una funzione di soglia sufficientemente ripida, il segnale di uscita del neurone è 0 o 1. La somma ponderata del segnale di ingresso e dei pesi del neurone è la convoluzione di due immagini: l'immagine del segnale di ingresso e l'immagine descritta da i pesi del neurone. Il risultato della convoluzione è tanto più alto quanto più precisa è la corrispondenza di queste immagini. Cioè, il neurone, infatti, determina quanto il segnale fornito sia simile all'immagine registrata nelle sue sinapsi. Quando il valore di convoluzione supera un certo livello e la funzione di soglia passa a uno, ciò può essere interpretato come una forte affermazione del neurone di aver riconosciuto l'immagine presentata.
I veri neuroni assomigliano in qualche modo ai neuroni di McCulloch-Pitts. L'ampiezza dei loro picchi non dipende da quali segnali sulle sinapsi li hanno causati. O hai un picco oppure no. Ma i neuroni reali rispondono a uno stimolo non con un singolo impulso, ma con una sequenza di impulsi. In questo caso, la frequenza degli impulsi è tanto maggiore quanto più accuratamente viene riconosciuta l'immagine caratteristica del neurone. Ciò significa che se costruiamo una rete neurale da tali sommatori di soglia, quindi con un segnale di input statico, sebbene fornisca una sorta di risultato di output, questo risultato sarà lontano dal riprodurre il modo in cui funzionano i neuroni reali. Per avvicinare la rete neurale al prototipo biologico, dobbiamo simulare il lavoro in dinamica, tenendo conto dei parametri temporali e riproducendo le proprietà di frequenza dei segnali.
Ma puoi andare dall'altra parte. Ad esempio, si può individuare una caratteristica generalizzata dell'attività di un neurone, che corrisponde alla frequenza dei suoi impulsi, cioè al numero di picchi in un certo periodo di tempo. Se procediamo con una descrizione del genere, possiamo pensare a un neurone come a un semplice sommatore lineare.
Sommatore lineare
I segnali di output e, di conseguenza, di input per tali neuroni non sono più dicatomici (0 o 1), ma sono espressi da un certo valore scalare. La funzione di attivazione viene quindi scritta come
Il sommatore lineare non deve essere percepito come qualcosa di fondamentalmente diverso rispetto al neurone impulso, ma consente semplicemente di andare su intervalli di tempo più lunghi durante la modellazione o la descrizione. E sebbene la descrizione dell'impulso sia più corretta, il passaggio a un sommatore lineare in molti casi è giustificato da una forte semplificazione del modello. Inoltre, alcune proprietà importanti che sono difficili da osservare in un neurone “spiking” sono abbastanza ovvie per un sommatore lineare.
Ecologia della vita. Scienza e scoperte: l'uomo ha dominato le profondità del mare e degli spazi aerei, ha penetrato i segreti dello spazio e delle viscere della terra. Ha imparato a resistere a molte malattie
L'uomo ha dominato le profondità del mare e degli spazi aerei, ha penetrato i segreti dello spazio e delle viscere della terra.Imparò a resistere a molte malattie e cominciò a vivere più a lungo.Cerca di manipolare i geni, "coltivare" organi per i trapianti e "creare" esseri viventi mediante la clonazione.
Ma per lui rimane ancora il mistero più grande come funziona il suo cervello, come, con l'aiuto di normali impulsi elettrici e di un piccolo insieme di neurotrasmettitori, il sistema nervoso non solo coordina il lavoro di miliardi di cellule del corpo, ma fornisce anche il capacità di apprendere, pensare, ricordare, sperimentare la più ampia gamma di emozioni. .
Per comprendere questi processi, una persona deve, prima di tutto, capire come funzionano le singole cellule nervose (neuroni).
Il mistero più grande: come funziona il cervello
Reti elettriche viventi
Secondo stime approssimative, Ci sono più di 100 miliardi di neuroni nel sistema nervoso umano. Tutte le strutture di una cellula nervosa sono focalizzate sull'esecuzione del compito più importante per il corpo: ricevere, elaborare, condurre e trasmettere informazioni codificate sotto forma di segnali elettrici o chimici (impulsi nervosi).
Il neurone consiste da un corpo con un diametro da 3 a 100 micron, contenente un nucleo, un apparato sviluppato per la sintesi proteica e altri organelli, nonché processi: un assone e diversi, di regola, dendriti ramificati. La lunghezza degli assoni di solito supera notevolmente la dimensione dei dendriti, in alcuni casi raggiungendo decine di centimetri o addirittura metri.
Ad esempio, l'assone del calamaro gigante è spesso circa 1 mm e lungo diversi metri; gli sperimentatori non hanno mancato di trarre vantaggio da un modello così conveniente e gli esperimenti con i neuroni dei calamari sono serviti a chiarire il meccanismo di trasmissione degli impulsi nervosi.
All'esterno, la cellula nervosa è circondata da una membrana (citolemma), che non solo garantisce lo scambio di sostanze tra la cellula e l'ambiente, ma è anche in grado di condurre un impulso nervoso.
Il fatto è che tra la superficie interna della membrana neuronale e l'ambiente esterno, la differenza di potenziale elettrico viene costantemente mantenuta. Ciò è dovuto al lavoro delle cosiddette "pompe ioniche" - complessi proteici che trasportano attivamente ioni potassio e sodio caricati positivamente attraverso la membrana.
Un tale trasferimento attivo, così come la diffusione passiva costante degli ioni attraverso i pori della membrana, a riposo provocano una carica negativa rispetto all'ambiente esterno sul lato interno della membrana neuronale.
Se la stimolazione di un neurone supera un certo valore soglia, nel punto di stimolazione si verificano una serie di cambiamenti chimici ed elettrici (un afflusso attivo di ioni sodio nel neurone e un cambiamento a breve termine nella carica dal lato interno del neurone). la membrana da negativo a positivo), che si diffonde in tutta la cellula nervosa.
A differenza di una semplice scarica elettrica, che, a causa della resistenza del neurone, si indebolirà gradualmente e riuscirà a coprire solo una breve distanza, l'impulso nervoso nel processo di propagazione viene costantemente ripristinato.
Le principali funzioni di una cellula nervosa sono:
- percezione degli stimoli esterni (funzione recettoriale),
- il loro trattamento (funzione integrativa),
- trasmissione di influenze nervose ad altri neuroni o vari organi funzionanti (funzione effettrice).
I dendriti – gli ingegneri li chiamerebbero “ricevitori” – inviano impulsi al corpo della cellula nervosa, mentre l’assone – il “trasmettitore” – va dal suo corpo ai muscoli, alle ghiandole o ad altri neuroni.
Nell'area contatti
L'assone ha migliaia di rami che si estendono ai dendriti di altri neuroni. Viene chiamata la zona di contatto funzionale tra assoni e dendriti sinapsi.
Più sinapsi su una cellula nervosa, più stimoli diversi vengono percepiti e, di conseguenza, più ampia è la sfera di influenza sulla sua attività e la possibilità di partecipazione della cellula nervosa a varie reazioni del corpo. Sui corpi dei grandi motoneuroni del midollo spinale possono esserci fino a 20mila sinapsi.
La sinapsi converte i segnali elettrici in segnali chimici e viceversa. Il trasferimento dell'eccitazione viene effettuato con l'aiuto di sostanze biologicamente attive - neurotrasmettitori (acetilcolina, adrenalina, alcuni aminoacidi, neuropeptidi, ecc.). DIsono contenuti in vescicole speciali situate alle terminazioni degli assoni - la parte presinaptica.
Quando l'impulso nervoso raggiunge la parte presinaptica, i neurotrasmettitori vengono rilasciati nella fessura sinaptica, si legano ai recettori situati sul corpo o ai processi del secondo neurone (parte postsinaptica), che porta alla generazione di un segnale elettrico - il potenziale postsinaptico.
L'entità del segnale elettrico è direttamente proporzionale alla quantità del neurotrasmettitore.
Alcune sinapsi causano la depolarizzazione dei neuroni, altre l'iperpolarizzazione; i primi sono eccitatori, i secondi inibitori.
Dopo la cessazione del rilascio del mediatore, i suoi residui vengono rimossi dalla fessura sinaptica e i recettori della membrana postsinaptica ritornano al loro stato originale. Il risultato della somma di centinaia e migliaia di impulsi eccitatori e inibitori, che fluiscono simultaneamente al neurone, determina se genererà un impulso nervoso in un dato momento.
Neurocomputer
Un tentativo di modellare i principi di funzionamento delle reti neurali biologiche ha portato alla creazione di un dispositivo di elaborazione delle informazioni come neurocomputer .
A differenza dei sistemi digitali, che sono combinazioni di unità di elaborazione e di memoria, i neuroprocessori contengono memoria distribuita in connessioni (una sorta di sinapsi) tra processori molto semplici, che formalmente possono essere chiamati neuroni.
I neurocomputer non programmano nel senso tradizionale del termine, ma si "allenano" regolando l'efficienza di tutte le connessioni "sinaptiche" tra i "neuroni" che li compongono.
Le principali aree di applicazione dei neurocomputer, i loro sviluppatori vedono:
- riconoscimento di immagini visive e sonore;
- previsioni economiche, finanziarie, politiche;
- controllo in tempo reale dei processi produttivi, missili, aerei;
- ottimizzazione nella progettazione di dispositivi tecnici, ecc.
“La testa è un oggetto oscuro…”
I neuroni possono essere divisi in tre grandi gruppi:
- recettore,
- intermedio,
- effettore.
Neuroni recettori fornire input alle informazioni sensoriali del cervello. Trasformano i segnali ricevuti dagli organi di senso (segnali ottici nella retina, segnali acustici nella coclea, segnali olfattivi nei chemocettori del naso, ecc.) in impulsi elettrici dei loro assoni.
neuroni intermedi effettuare l'elaborazione delle informazioni ricevute dai recettori e generare segnali di controllo per gli effettori. I neuroni di questo gruppo formano il sistema nervoso centrale (SNC).
neuroni effettori trasmettere i segnali che pervengono agli organi esecutivi. Il risultato dell'attività del sistema nervoso è l'una o l'altra attività, che si basa sulla contrazione o sul rilassamento dei muscoli o sulla secrezione o sulla cessazione della secrezione delle ghiandole. È con il lavoro dei muscoli e delle ghiandole che è collegato ogni modo della nostra autoespressione.
Se i principi di funzionamento dei neuroni recettori ed effettori sono più o meno chiari agli scienziati, allora lo stadio intermedio in cui il corpo “digerisce” le informazioni in arrivo e decide come rispondere ad esse è comprensibile solo a livello dei più semplici archi riflessi .
Nella maggior parte dei casi, il meccanismo neurofisiologico con cui si formano alcune reazioni rimane un mistero. Non per niente nella letteratura scientifica divulgativa il cervello umano viene spesso paragonato ad una “scatola nera”.
“... 30 miliardi di neuroni vivono nella tua testa, immagazzinando le tue conoscenze, abilità, esperienza di vita accumulata. Dopo 25 anni di riflessione, questo fatto non mi sembra meno sorprendente di prima.Il film più sottile, costituito da cellule nervose, vede, sente, crea la nostra visione del mondo. È semplicemente incredibile!Godersi il calore di una giornata estiva e sognare audaci per il futuro: tutto è creato da queste cellule ... Non esiste nient'altro: nessuna magia, nessuna salsa speciale, solo neuroni che eseguono una danza informativa ", ha scritto il famoso sviluppatore di computer, fondatore di il Redwood Institute, nel suo libro“ On Intelligence ”. Institute of Neurology (USA) Jeff Hawkins.
Per più di mezzo secolo, migliaia di neurofisiologi in tutto il mondo hanno cercato di comprendere la coreografia di questa "danza dell'informazione", ma oggi se ne conoscono solo le singole figure e i passi, che non consentono di creare una teoria universale del funzionamento di il cervello.
Va notato che molti lavori nel campo della neurofisiologia sono dedicati al cosiddetto "localizzazione funzionale" – scoprire quale neurone, gruppo di neuroni o un’intera area del cervello si attiva in determinate situazioni.
Ad oggi, è stata accumulata un'enorme quantità di informazioni su quali neuroni negli esseri umani, nei ratti e nelle scimmie vengono attivati selettivamente quando osservano vari oggetti, inalano feromoni, ascoltano musica, imparano poesie, ecc.
È vero, a volte tali esperimenti sembrano alquanto curiosi. Così, negli anni '70 del secolo scorso, uno dei ricercatori trovò “neuroni coccodrillo verde” nel cervello di un ratto: queste cellule si attivarono quando un animale che correva attraverso un labirinto, tra gli altri oggetti, si imbatté in un piccolo coccodrillo verde giocattolo già familiare.
E un altro scienziato in seguito ha individuato un neurone nel cervello umano che “reagisce” a una fotografia del presidente degli Stati Uniti Bill Clinton.
Tutti questi dati supportano la teoria che i neuroni nel cervello sono specializzati, ma non spiegano in alcun modo perché e come avviene questa specializzazione.
Gli scienziati comprendono i meccanismi neurofisiologici dell'apprendimento e della memoria solo in termini generali. Si presume che nel processo di memorizzazione delle informazioni si formino nuovi contatti funzionali tra i neuroni della corteccia cerebrale.
In altre parole, le sinapsi sono la “traccia” neurofisiologica della memoria. Più nuove sinapsi nascono, più “ricca” è la memoria dell'individuo. Una tipica cellula della corteccia cerebrale forma diverse (fino a 10) migliaia di sinapsi. Tenendo conto del numero totale di neuroni corticali, risulta che qui possono formarsi centinaia di miliardi di contatti funzionali!
Sotto l'influenza di qualsiasi sensazione, pensiero o emozione si verifica ricordo- l'eccitazione dei singoli neuroni attiva l'intero insieme responsabile della memorizzazione di questa o quella informazione.
Nel 2000 il farmacologo svedese Arvid Carlsson e i neuroscienziati americani Paul Greengard ed Eric Kendel hanno ricevuto il Premio Nobel per la fisiologia e la medicina per le loro scoperte sulla "segnalazione nel sistema nervoso".
Gli scienziati lo hanno dimostrato la memoria della maggior parte degli esseri viventi funziona grazie all'azione dei cosiddetti neurotrasmettitori – dopamina, norepinefrina e serotonina, il cui effetto, a differenza dei neurotrasmettitori classici, non si sviluppa in millisecondi, ma in centinaia di millisecondi, secondi e persino ore. Questo è esattamente ciò che determina il loro effetto modulante a lungo termine sulle funzioni delle cellule nervose, il loro ruolo nella gestione degli stati complessi del sistema nervoso: ricordi, emozioni, stati d'animo.
È inoltre da notare che il valore del segnale generato sulla membrana postsinaptica può essere diverso anche a parità di valore del segnale iniziale che raggiunge la parte presinaptica. Queste differenze sono determinate dalla cosiddetta efficienza, o peso, della sinapsi, che può cambiare durante il funzionamento del contatto interneuronale.
Secondo molti ricercatori, anche la modifica dell’efficienza delle sinapsi gioca un ruolo importante nel funzionamento della memoria. È possibile che le informazioni utilizzate frequentemente da una persona siano archiviate in reti neurali collegate da sinapsi altamente efficienti e quindi vengano "ricordate" rapidamente e facilmente. Allo stesso tempo, le sinapsi coinvolte nell'immagazzinamento di dati secondari, raramente "recuperati", sembrano essere caratterizzate da una bassa efficienza.
Eppure si stanno riprendendo!
Uno dei problemi più interessanti dal punto di vista medico nelle neuroscienze è capacità di rigenerare il tessuto nervoso. È noto che le fibre tagliate o danneggiate dei neuroni del sistema nervoso periferico, circondate da un neurilemma (guaina di cellule specializzate), possono rigenerarsi se il corpo cellulare viene conservato intatto. Al di sotto del sito di sezione, il neurilemma è conservato come struttura tubolare e quella parte dell'assone che rimane connessa al corpo cellulare cresce lungo questo tubo fino a raggiungere la terminazione nervosa. Pertanto, la funzione del neurone danneggiato viene ripristinata.
Gli assoni nel sistema nervoso centrale non sono circondati da un neurilemma e quindi, apparentemente, non sono in grado di germogliare nuovamente al posto della precedente terminazione.
Allo stesso tempo, fino a poco tempo fa, i neurofisiologi credevano che nuovi neuroni non si formassero nel sistema nervoso centrale durante la vita di una persona.
“Le cellule nervose non si rigenerano!” ci hanno avvertito gli scienziati. Si presumeva che il mantenimento del sistema nervoso in uno “stato lavorativo” anche in caso di malattie gravi e lesioni fosse dovuto alla sua eccezionale plasticità: le funzioni dei neuroni morti vengono rilevate dai loro “colleghi” sopravvissuti, che aumentano di dimensioni e formare nuove connessioni.
L'efficacia elevata, ma non illimitata, di tale compensazione può essere illustrata dall'esempio del morbo di Parkinson, in cui si verifica la morte graduale dei neuroni. Si scopre che fino alla morte di circa il 90% dei neuroni nel cervello, i sintomi clinici della malattia (tremore degli arti, andatura instabile, demenza) non compaiono, cioè la persona sembra praticamente sana. Si scopre che una cellula nervosa vivente può sostituire funzionalmente nove cellule morte!
È ormai dimostrato che nel cervello dei mammiferi adulti avviene la formazione di nuove cellule nervose (neurogenesi). Già nel 1965 è stato dimostrato che nuovi neuroni compaiono regolarmente nei ratti adulti nell'ippocampo, la regione del cervello responsabile delle prime fasi dell'apprendimento e della memoria.
Quindici anni dopo, gli scienziati hanno dimostrato che nuove cellule nervose compaiono nel cervello degli uccelli per tutta la vita. Tuttavia, gli studi sul cervello dei primati adulti per la neurogenesi non hanno dato risultati incoraggianti.
Solo circa 10 anni fa, gli scienziati americani hanno sviluppato una tecnica che ha dimostrato che nuovi neuroni vengono prodotti dalle cellule staminali neuronali nel cervello delle scimmie per tutta la vita. I ricercatori hanno iniettato negli animali una speciale sostanza etichettante (bromodiossiuridina), che era inclusa nel DNA solo delle cellule in divisione.
Si è così scoperto che nuove cellule iniziarono a moltiplicarsi nella zona subventricolare e da lì migrarono nella corteccia, dove maturarono fino allo stato adulto. Nuovi neuroni sono stati trovati in aree del cervello associate alle funzioni cognitive e non sono apparsi in aree che implementano un livello di analisi più primitivo.
Per questo motivo gli scienziati lo hanno ipotizzato nuovi neuroni possono essere importanti per l’apprendimento e la memoria.
A favore di questa ipotesi parla anche quanto segue: una grande percentuale di nuovi neuroni muore nelle prime settimane dopo la loro nascita; tuttavia, in quelle situazioni in cui si verifica l'apprendimento costante, la percentuale di neuroni sopravvissuti è molto più elevata rispetto a quando "non sono richiesti" - quando l'animale viene privato dell'opportunità di formare una nuova esperienza.
Ad oggi sono stati stabiliti meccanismi universali di morte neuronale in varie malattie:
1) un aumento del livello di radicali liberi e danno ossidativo alle membrane neuronali;
2) interruzione dell'attività dei mitocondri dei neuroni;
3) effetto negativo dell'eccesso di neurotrasmettitori eccitatori glutammato e aspartato, che porta all'iperattivazione di recettori specifici, eccessivo accumulo di calcio intracellulare, sviluppo di stress ossidativo e morte neuronale (fenomeno di eccitotossicità).
Basato su questo, come farmaci - neuroprotettori in neurologia utilizzano:
- preparati con proprietà antiossidanti (vitamine E e C, ecc.),
- correttori della respirazione tissutale (coenzima Q10, acido succinico, riboflavini, ecc.),
- così come i bloccanti dei recettori del glutammato (memantina, ecc.).
Più o meno nello stesso periodo, è stata confermata la possibilità della comparsa di nuovi neuroni dalle cellule staminali nel cervello adulto: uno studio patoanatomico su pazienti che hanno ricevuto bromodiossiuridina durante la loro vita per scopi terapeutici ha mostrato che i neuroni contenenti questa sostanza marcante si trovano in quasi tutte le parti del cervello, compresa la corteccia cerebrale.
Questo fenomeno viene studiato in modo approfondito con l'obiettivo di curare varie malattie neurodegenerative, in primo luogo il morbo di Alzheimer e il morbo di Parkinson, che sono diventati un vero flagello per la popolazione "invecchiata" dei paesi sviluppati.
Negli esperimenti di trapianto vengono utilizzate sia cellule staminali neuronali, che si trovano attorno ai ventricoli del cervello sia nell'embrione che nell'adulto, e cellule staminali embrionali che possono trasformarsi in quasi tutte le cellule del corpo.
Purtroppo oggi i medici non riescono a risolvere il principale problema legato al trapianto di cellule staminali neuronali: la loro riproduzione attiva nel corpo del ricevente nel 30-40% dei casi porta alla formazione di tumori maligni.
Nonostante ciò, gli esperti non perdono l’ottimismo e definiscono il trapianto di cellule staminali uno degli approcci più promettenti nel trattamento delle malattie neurodegenerative.pubblicato . Se hai domande su questo argomento, chiedile agli specialisti e ai lettori del nostro progetto .
Il nostro corpo è formato da innumerevoli cellule. Di questi circa 100.000.000 sono neuroni. Cosa sono i neuroni? Quali sono le funzioni dei neuroni? Sei curioso di sapere quale compito svolgono e cosa puoi fare con loro? Consideriamo questo in modo più dettagliato.
Funzioni dei neuroni
Hai mai pensato a come le informazioni passano attraverso il nostro corpo? Perché, se qualcosa ci fa male, ritraiamo subito inconsciamente la mano? Dove e come riconosciamo queste informazioni? Tutto questo è l'azione dei neuroni. Come capiamo che questo è freddo e questo è caldo... e questo è morbido o pungente? I neuroni sono responsabili della ricezione e della trasmissione di questi segnali in tutto il nostro corpo. In questo articolo parleremo in dettaglio di cos'è un neurone, in cosa consiste, qual è la classificazione dei neuroni e come migliorarne la formazione.
Concetti di base sulle funzioni dei neuroni
Prima di parlare di quali siano le funzioni dei neuroni è necessario definire cos’è un neurone e in cosa consiste.
Vuoi sapere come funziona il tuo cervello? Quali sono le tue funzioni cognitive forti e possibilmente deboli? Ci sono sintomi che indicano la presenza di qualche disturbo? Quali abilità possono essere migliorate? Ottieni risposte a tutte queste domande in meno di 30-40 minuti esaminando
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La mancanza di sonno, la monotonia, la routine costante e gli elevati livelli di stress portano a un rallentamento della neurogenesi.
I neuroni possono morire?
Naturalmente, e questo accade per vari motivi.
- Secondo il programma (Apoptosi): Durante l'infanzia, quando ci sviluppiamo, il nostro cervello produce più cellule di quelle che utilizziamo. Ad un certo punto, tutte queste cellule inutilizzate programmano la loro morte. La stessa cosa accade in età avanzata, con i neuroni che non possono più ricevere e trasmettere informazioni.
- A causa dell'asfissia: I neuroni, come noi, hanno bisogno di ossigeno. Se smettono di riceverlo, muoiono.
- A causa della malattia: Alzheimer, Parkinson, AIDS...
- A causa di forti colpi alla testa: lesioni gravi causano la morte dei neuroni. Questo è ben noto, ad esempio, nel mondo della boxe.
- A causa dell'intossicazione: L'uso di alcol e altre sostanze può causare danni ai neuroni e, di conseguenza, la loro distruzione.
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Conclusioni sulle funzioni neurali
Tu ed io abbiamo imparato che i neuroni sono piccole connessioni che si muovono in tutto il nostro corpo. Pertanto, la funzione dei neuroni è quella di ricevere e trasmettere informazioni, sia da varie strutture (muscoli e ghiandole), sia da altri neuroni.
Ora possiamo già rispondere alla domanda posta all’inizio dell’articolo: perché, se qualcosa ci fa male, tiriamo subito indietro inconsciamente la mano? I neuroni sensoriali ricevono informazioni sul dolore e i motoneuroni in risposta inviano un segnale per rimuovere la mano.
Abbiamo visto che all'interno del nostro corpo durante tutta la nostra vita, in ogni momento, ogni secondo, ci sono infinite informazioni, flussi di comunicazione e impulsi elettrici.
Abbiamo anche imparato che il nostro corpo è costantemente in fase di sviluppo, dalla nascita alla vecchiaia. Anche la nostra struttura neuronale nell’ippocampo sta cambiando, attraverso la neurogenesi e la morte neuronale.
Ti esorto a condurre uno stile di vita sano, divertirti, imparare e lottare per la crescita personale. Questo ti aiuterà a salvare i neuroni, i tuoi piccoli postini.
L'articolo contiene collegamenti ad altri materiali in cui è possibile leggere ulteriori informazioni su un particolare argomento. Se sei interessato al tema della Neurogenesi, ti consiglio anche di leggere questo interessante articolo su .French
Nonostante il fatto che la moderna industria farmaceutica abbia sviluppato molti farmaci per varie malattie, molti medici aderiscono a metodi non farmacologici per curare i loro pazienti. Pertanto, per coloro che sono abituati a ricorrere all'aiuto di pillole e miscele come ultima risorsa, consigliamo di consultare questo catalogo, in cui un'ampia varietà di negozi online offre l'acquisto di dispositivi di neurostimolazione elettrica a ottimi prezzi. Nonostante il fatto che questo prodotto sia abbastanza specifico, sul sito troverai semplicemente l'assortimento più ricco di questi dispositivi e sarai sicuramente in grado di scegliere ciò che si adatta e aiuterà te o i tuoi cari in modo specifico.
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Tipi di dispositivi
Al giorno d'oggi, i produttori di dispositivi di stimolazione elettrica dei nervi hanno sviluppato e producono attivamente due tipi principali di questi dispositivi:
- dispositivi per neurostimolazione elettrica transcutanea;
- dispositivi per la neurostimolazione elettrica dinamica.
Stimolazione nervosa elettrica transcutanea
Questo tipo di stimolazione viene utilizzato attivamente per tali diagnosi:
- sindromi dolorose acute di varia origine;
- dolore posterpetico;
- neuropatia;
- artrite e artrosi;
- psoriasi.
Di norma, l'uso di tali dispositivi fa parte di un trattamento completo delle malattie e può accelerare significativamente il recupero e la riabilitazione del paziente ed è anche molto efficace nel prevenire il ripetersi di esacerbazioni della malattia. Gli elettrodi vengono fissati sulla pelle del paziente nei punti esposti alla malattia, attraverso i quali vengono ricevuti deboli impulsi elettrici. Tale trattamento non provoca disagio, ustioni e altre conseguenze negative per il corpo.
Stimolazione nervosa elettrica dinamica
Se la stimolazione transcutanea presenta una serie di controindicazioni, i dispositivi di stimolazione dinamica verranno sempre in soccorso, che hanno un effetto più lieve e consentono l'uso di tali modelli anche per il trattamento degli scolari. Quando si utilizza questo tipo di stimolante, non si osservano effetti collaterali.
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