Neuroni della cellula cerebrale. Cosa sono i neuroni? Neuroni motori: descrizione, struttura e funzioni

Fino a poco tempo fa, il tema "Il numero di neuroni nel cervello umano" rimaneva risolto e sufficientemente studiato. Gli scienziati credevano che il cervello avesse circa 100 miliardi di nuclei cellulari, questa informazione è stata descritta da molti scienziati. La neurologa brasiliana Susanna Herculano-Houses ha dimostrato che in realtà erano meno.

Un nuovo modo di contare i neuroni

Neuroneè l'unità strutturale e funzionale di base del tessuto nervoso. Queste cellule sono in grado di ricevere, elaborare, codificare, trasmettere e archiviare informazioni, stabilire contatti con altre cellule. Le caratteristiche uniche di un neurone sono la capacità di generare scariche bioelettriche (impulsi) e trasmettere informazioni lungo i processi da una cellula all'altra utilizzando terminazioni specializzate -.

Lo svolgimento delle funzioni di un neurone è facilitato dalla sintesi nel suo assoplasma di sostanze-trasmettitori - neurotrasmettitori: acetilcolina, catecolamine, ecc.

Il numero di neuroni cerebrali si avvicina a 10 11 . Un neurone può avere fino a 10.000 sinapsi. Se questi elementi vengono considerati cellule di immagazzinamento delle informazioni, possiamo concludere che il sistema nervoso può immagazzinare 10 19 unità. informazioni, ad es. capace di contenere quasi tutta la conoscenza accumulata dall’umanità. Pertanto, l'idea che il cervello umano ricordi tutto ciò che accade nel corpo e quando comunica con l'ambiente è abbastanza ragionevole. Tuttavia, il cervello non è in grado di estrarre tutte le informazioni in esso memorizzate.

Alcuni tipi di organizzazione neurale sono caratteristici di varie strutture cerebrali. I neuroni che regolano una singola funzione formano i cosiddetti gruppi, insiemi, colonne, nuclei.

I neuroni differiscono per struttura e funzione.

Per struttura(a seconda del numero di processi che si estendono dal corpo cellulare) distinguere unipolare(con un processo), bipolare (con due processi) e multipolare(con molti processi) neuroni.

Secondo le proprietà funzionali allocare afferente(O centripeto) neuroni che trasportano l'eccitazione dai recettori in, efferente, il motore, neuroni motori(o centrifugo), che trasmette l'eccitazione dal sistema nervoso centrale all'organo innervato, e intercalare, contatto O intermedio neuroni che collegano i neuroni afferenti ed efferenti.

I neuroni afferenti sono unipolari, i loro corpi si trovano nei gangli spinali. Il processo che si estende dal corpo cellulare è diviso a forma di T in due rami, uno dei quali va al sistema nervoso centrale e svolge la funzione di un assone, e l'altro si avvicina ai recettori ed è un lungo dendrite.

La maggior parte dei neuroni efferenti e intercalari sono multipolari (Fig. 1). I neuroni intercalari multipolari si trovano in gran numero nelle corna posteriori del midollo spinale e si trovano anche in tutte le altre parti del sistema nervoso centrale. Possono anche essere bipolari, come i neuroni retinali che hanno un dendrite ramificato corto e un assone lungo. I motoneuroni si trovano principalmente nelle corna anteriori del midollo spinale.

Riso. 1. La struttura della cellula nervosa:

1 - microtubuli; 2 - un lungo processo di una cellula nervosa (assone); 3 - reticolo endoplasmatico; 4 - nucleo; 5 - neuroplasma; 6 - dendriti; 7 - mitocondri; 8 - nucleolo; 9 - guaina mielinica; 10 - intercettazione di Ranvier; 11 - la fine dell'assone

neuroglia

neuroglia, O glia, - un insieme di elementi cellulari del tessuto nervoso, formati da cellule specializzate di varie forme.

Fu scoperta da R. Virchow e da lui chiamata neuroglia, che significa "colla nervosa". Le cellule della neuroglia riempiono lo spazio tra i neuroni, rappresentando il 40% del volume del cervello. Le cellule gliali sono 3-4 volte più piccole delle cellule nervose; il loro numero nel sistema nervoso centrale dei mammiferi raggiunge i 140 miliardi, con l'età il numero di neuroni nel cervello umano diminuisce e aumenta il numero di cellule gliali.

È stato stabilito che la neuroglia è correlata al metabolismo nel tessuto nervoso. Alcune cellule neurogliali secernono sostanze che influenzano lo stato di eccitabilità dei neuroni. Si nota che la secrezione di queste cellule cambia in vari stati mentali. I processi di tracce a lungo termine nel sistema nervoso centrale sono associati allo stato funzionale della neuroglia.

Tipi di cellule gliali

In base alla natura della struttura delle cellule gliali e alla loro posizione nel sistema nervoso centrale, si distinguono:

• astrociti (astroglia);
• oligodendrociti (oligodendroglia);
• cellule microgliali (microglia);
• Cellule di Schwann.

Le cellule gliali svolgono funzioni di supporto e protezione per i neuroni. Sono inclusi nella struttura. astrociti sono le cellule gliali più numerose, riempiono gli spazi tra i neuroni e li ricoprono. Impediscono la diffusione dei neurotrasmettitori che diffondono dalla fessura sinaptica nel sistema nervoso centrale. Gli astrociti hanno recettori per i neurotrasmettitori, la cui attivazione può causare fluttuazioni nella differenza di potenziale della membrana e cambiamenti nel metabolismo degli astrociti.

Gli astrociti circondano strettamente i capillari dei vasi sanguigni del cervello, situati tra loro e i neuroni. Su questa base, si suggerisce che gli astrociti svolgano un ruolo importante nel metabolismo dei neuroni, regolando la permeabilità capillare per alcune sostanze.

Una delle funzioni importanti degli astrociti è la loro capacità di assorbire gli ioni K+ in eccesso, che possono accumularsi nello spazio intercellulare durante l'elevata attività neuronale. Nelle aree di stretta aderenza degli astrociti si formano canali di giunzione attraverso i quali gli astrociti possono scambiare vari piccoli ioni e, in particolare, ioni K+. Ciò aumenta la loro capacità di assorbire ioni K+. Accumulo incontrollato di ioni K+ nello spazio interneuronale porterebbe ad un aumento dell’eccitabilità dei neuroni. Pertanto, gli astrociti, assorbendo un eccesso di ioni K+ dal liquido interstiziale, impediscono un aumento dell'eccitabilità dei neuroni e la formazione di focolai di maggiore attività neuronale. La comparsa di tali focolai nel cervello umano può essere accompagnata dal fatto che i loro neuroni generano una serie di impulsi nervosi, chiamati scariche convulsive.

Gli astrociti sono coinvolti nella rimozione e distruzione dei neurotrasmettitori che entrano negli spazi extrasinaptici. Pertanto, impediscono l’accumulo di neurotrasmettitori negli spazi interneuronali, che potrebbe portare a disfunzioni cerebrali.

Neuroni e astrociti sono separati da spazi intercellulari di 15-20 µm, chiamati spazio interstiziale. Gli spazi interstiziali occupano fino al 12-14% del volume del cervello. Una proprietà importante degli astrociti è la loro capacità di assorbire CO2 dal fluido extracellulare di questi spazi e quindi di mantenere un'atmosfera stabile pH cerebrale.

Gli astrociti sono coinvolti nella formazione delle interfacce tra il tessuto nervoso e i vasi cerebrali, il tessuto nervoso e le membrane cerebrali nel processo di crescita e sviluppo del tessuto nervoso.

Oligodendrociti caratterizzato dalla presenza di un piccolo numero di processi brevi. Una delle loro funzioni principali è formazione della guaina mielinica delle fibre nervose all'interno del sistema nervoso centrale. Queste cellule si trovano anche in prossimità dei corpi dei neuroni, ma il significato funzionale di questo fatto è sconosciuto.

cellule microgliali costituiscono il 5-20% del numero totale di cellule gliali e sono sparse in tutto il sistema nervoso centrale. È stato stabilito che gli antigeni della loro superficie sono identici agli antigeni dei monociti del sangue. Ciò indica la loro origine dal mesoderma, la penetrazione nel tessuto nervoso durante lo sviluppo embrionale e la successiva trasformazione in cellule microgliali morfologicamente riconoscibili. A questo proposito, è generalmente accettato che la funzione più importante delle microglia sia quella di proteggere il cervello. È stato dimostrato che quando il tessuto nervoso è danneggiato, il numero di cellule fagocitiche aumenta a causa dei macrofagi del sangue e dell'attivazione delle proprietà fagocitiche della microglia. Rimuovono i neuroni morti, le cellule gliali e i loro elementi strutturali, fagocitano le particelle estranee.

Cellule di Schwann formano la guaina mielinica delle fibre nervose periferiche al di fuori del sistema nervoso centrale. La membrana di questa cellula si avvolge ripetutamente e lo spessore della guaina mielinica risultante può superare il diametro della fibra nervosa. La lunghezza delle sezioni mielinizzate della fibra nervosa è 1-3 mm. Negli intervalli tra loro (intercettazioni di Ranvier), la fibra nervosa rimane ricoperta solo da una membrana superficiale dotata di eccitabilità.

Una delle proprietà più importanti della mielina è la sua elevata resistenza alla corrente elettrica. Ciò è dovuto all'alto contenuto di sfingomielina e di altri fosfolipidi nella mielina, che le conferiscono proprietà di isolamento della corrente. Nelle aree della fibra nervosa ricoperte di mielina, il processo di generazione degli impulsi nervosi è impossibile. Gli impulsi nervosi vengono generati solo sulla membrana di intercettazione Ranvier, che fornisce una maggiore velocità di conduzione degli impulsi nervosi nelle fibre nervose mielinizzate rispetto a quelle non mielinizzate.

È noto che la struttura della mielina può essere facilmente disturbata in caso di danni infettivi, ischemici, traumatici e tossici al sistema nervoso. Allo stesso tempo si sviluppa il processo di demielinizzazione delle fibre nervose. Soprattutto spesso la demielinizzazione si sviluppa nella sclerosi multipla. Come risultato della demielinizzazione, la velocità di conduzione degli impulsi nervosi lungo le fibre nervose diminuisce, la velocità di consegna delle informazioni al cervello dai recettori e dai neuroni agli organi esecutivi diminuisce. Ciò può portare a ridotta sensibilità sensoriale, disturbi del movimento, regolazione degli organi interni e altre gravi conseguenze.

Struttura e funzioni dei neuroni

Neurone(cellula nervosa) è un'unità strutturale e funzionale.

La struttura anatomica e le proprietà del neurone ne garantiscono l'implementazione funzioni principali: implementazione del metabolismo, produzione di energia, percezione di vari segnali e loro elaborazione, formazione o partecipazione a risposte, generazione e conduzione di impulsi nervosi, combinando i neuroni in circuiti neurali che forniscono sia le reazioni riflesse più semplici che le funzioni integrative più elevate del cervello.

I neuroni sono costituiti da un corpo di cellule nervose e processi: un assone e dendriti.

Riso. 2. Struttura di un neurone

corpo della cellula nervosa

Corpo (pericarione, soma) Il neurone e i suoi processi sono ricoperti interamente da una membrana neuronale. La membrana del corpo cellulare differisce dalla membrana dell'assone e dei dendriti per il contenuto di vari recettori, per la presenza su di essa.

Nel corpo di un neurone c'è un neuroplasma e un nucleo delimitato da esso da membrane, un reticolo endoplasmatico ruvido e liscio, l'apparato di Golgi e i mitocondri. I cromosomi del nucleo dei neuroni contengono un insieme di geni che codificano per la sintesi delle proteine ​​necessarie per la formazione della struttura e l'attuazione delle funzioni del corpo del neurone, dei suoi processi e delle sinapsi. Queste sono proteine ​​che svolgono le funzioni di enzimi, trasportatori, canali ionici, recettori, ecc. Alcune proteine ​​svolgono funzioni nel neuroplasma, mentre altre sono incorporate nelle membrane degli organelli, nel soma e nei processi neuronali. Alcuni di essi, ad esempio gli enzimi necessari per la sintesi dei neurotrasmettitori, vengono consegnati al terminale assonale mediante trasporto assonale. Nel corpo cellulare vengono sintetizzati i peptidi necessari per l'attività vitale degli assoni e dei dendriti (ad esempio i fattori di crescita). Pertanto, quando il corpo di un neurone viene danneggiato, i suoi processi degenerano e collassano. Se il corpo del neurone viene preservato e il processo è danneggiato, si verifica il suo lento recupero (rigenerazione) e il ripristino dell'innervazione dei muscoli o degli organi denervati.

Il sito della sintesi proteica nei corpi dei neuroni è il reticolo endoplasmatico ruvido (granuli tigroidi o corpi di Nissl) o ribosomi liberi. Il loro contenuto nei neuroni è maggiore che nelle cellule gliali o in altre cellule del corpo. Nel reticolo endoplasmatico liscio e nell'apparato del Golgi, le proteine ​​acquisiscono la loro caratteristica conformazione spaziale, vengono smistate e inviate a flussi di trasporto alle strutture del corpo cellulare, dendriti o assoni.

In numerosi mitocondri dei neuroni, a seguito di processi di fosforilazione ossidativa, si forma ATP, la cui energia viene utilizzata per mantenere l'attività vitale del neurone, il funzionamento delle pompe ioniche e per mantenere l'asimmetria delle concentrazioni di ioni su entrambi i lati della membrana. Di conseguenza, il neurone è costantemente pronto non solo a percepire vari segnali, ma anche a rispondere ad essi: la generazione di impulsi nervosi e il loro utilizzo per controllare le funzioni di altre cellule.

Nei meccanismi di percezione di vari segnali da parte dei neuroni prendono parte i recettori molecolari della membrana del corpo cellulare, i recettori sensoriali formati dai dendriti e le cellule sensibili di origine epiteliale. I segnali provenienti da altre cellule nervose possono raggiungere il neurone attraverso numerose sinapsi formate sui dendriti o sul gel del neurone.

Dendriti di una cellula nervosa

Dendriti i neuroni formano un albero dendritico, la natura della ramificazione e la cui dimensione dipendono dal numero di contatti sinaptici con altri neuroni (Fig. 3). Sui dendriti di un neurone ci sono migliaia di sinapsi formate dagli assoni o dai dendriti di altri neuroni.

Riso. 3. Contatti sinaptici dell'interneurone. Le frecce a sinistra mostrano il flusso dei segnali afferenti ai dendriti e al corpo dell'interneurone, a destra la direzione di propagazione dei segnali efferenti dell'interneurone ad altri neuroni

Le sinapsi possono essere eterogenee sia nella funzione (inibitoria, eccitatoria) che nel tipo di neurotrasmettitore utilizzato. La membrana dendritica coinvolta nella formazione delle sinapsi è la loro membrana postsinaptica, che contiene recettori (canali ionici dipendenti dal ligando) per il neurotrasmettitore utilizzato in questa sinapsi.

Le sinapsi eccitatorie (glutamatergiche) si trovano principalmente sulla superficie dei dendriti, dove sono presenti rilievi, o escrescenze (1-2 micron), chiamati spine. Nella membrana delle spine ci sono canali la cui permeabilità dipende dalla differenza di potenziale transmembrana. Nel citoplasma dei dendriti nella regione delle spine sono stati trovati messaggeri secondari di trasduzione del segnale intracellulare, nonché ribosomi, sui quali viene sintetizzata la proteina in risposta ai segnali sinaptici. Il ruolo esatto delle spine rimane sconosciuto, ma è chiaro che aumentano la superficie dell'albero dendritico per la formazione delle sinapsi. Le spine sono anche strutture neuronali per ricevere segnali di input e elaborarli. I dendriti e le spine assicurano la trasmissione delle informazioni dalla periferia al corpo del neurone. La membrana dendritica è polarizzata durante la falciatura a causa della distribuzione asimmetrica degli ioni minerali, del funzionamento delle pompe ioniche e della presenza di canali ionici al suo interno. Queste proprietà sono alla base del trasferimento di informazioni attraverso la membrana sotto forma di correnti circolari locali (elettrotonicamente) che si verificano tra le membrane postsinaptiche e le aree della membrana dendritica ad esse adiacenti.

Le correnti locali, quando si propagano lungo la membrana dei dendriti, si attenuano, ma risultano di entità sufficiente per trasmettere alla membrana del corpo del neurone i segnali che sono arrivati ​​​​attraverso gli ingressi sinaptici ai dendriti. Nella membrana dendritica non sono stati ancora trovati canali del sodio e del potassio voltaggio-dipendenti. Non ha eccitabilità e la capacità di generare potenziali d'azione. Tuttavia, è noto che il potenziale d'azione derivante dalla membrana della collinetta dell'assone può propagarsi lungo di essa. Il meccanismo di questo fenomeno è sconosciuto.

Si presume che i dendriti e le spine facciano parte delle strutture neurali coinvolte nei meccanismi di memoria. Il numero di spine è particolarmente elevato nei dendriti dei neuroni della corteccia cerebellare, dei gangli della base e della corteccia cerebrale. L'area dell'albero dendritico e il numero delle sinapsi sono ridotti in alcune aree della corteccia cerebrale degli anziani.

assone del neurone

assone - ramo di una cellula nervosa che non si trova in altre cellule. A differenza dei dendriti, il cui numero è diverso per un neurone, l'assone di tutti i neuroni è lo stesso. La sua lunghezza può raggiungere fino a 1,5 M. Nel punto di uscita dell'assone dal corpo del neurone, c'è un ispessimento: il tumulo dell'assone, coperto da una membrana plasmatica, che presto viene ricoperta di mielina. L'area della collinetta dell'assone che non è coperta dalla mielina è chiamata segmento iniziale. Gli assoni dei neuroni, fino ai loro rami terminali, sono ricoperti da una guaina mielinica, interrotta da intercettazioni di Ranvier - aree microscopiche non mielinizzate (circa 1 micron).

Per tutta la lunghezza dell'assone (fibra mielinizzata e non mielinizzata) è ricoperto da una membrana fosfolipidica a doppio strato con molecole proteiche incorporate in essa, che svolgono le funzioni di trasporto ionico, canali ionici voltaggio-dipendenti, ecc. Le proteine ​​sono distribuite uniformemente nella membrana della fibra nervosa non mielinizzata e si trovano nella membrana della fibra nervosa mielinizzata prevalentemente nelle intercetta di Ranvier. Poiché nell'assoplasma non sono presenti reticolo ruvido e ribosomi, è ovvio che queste proteine ​​vengono sintetizzate nel corpo del neurone e consegnate alla membrana dell'assone tramite il trasporto assonale.

Proprietà della membrana che ricopre il corpo e l'assone di un neurone, sono diversi. Questa differenza riguarda principalmente la permeabilità della membrana agli ioni minerali ed è dovuta al contenuto di vario tipo. Se nella membrana del corpo e nei dendriti del neurone prevale il contenuto dei canali ionici dipendenti dal ligando (comprese le membrane postsinaptiche), allora nella membrana dell'assone, specialmente nella regione dei nodi di Ranvier, c'è un'alta densità di tensione canali del sodio e del potassio dipendenti.

La membrana del segmento iniziale dell'assone ha il valore di polarizzazione più basso (circa 30 mV). Nelle zone dell'assone più distanti dal corpo cellulare il valore del potenziale transmembrana è di circa 70 mV. Il basso valore di polarizzazione della membrana del segmento iniziale dell'assone determina che in quest'area la membrana del neurone presenta la maggiore eccitabilità. È qui che i potenziali postsinaptici che sono sorti sulla membrana dei dendriti e sul corpo cellulare a seguito della trasformazione dei segnali di informazione ricevuti dal neurone nelle sinapsi si propagano lungo la membrana del corpo del neurone con l'aiuto di segnali locali correnti elettriche circolari. Se queste correnti provocano la depolarizzazione della membrana della collinetta assonica a un livello critico (E k), allora il neurone risponderà ai segnali provenienti da altre cellule nervose che arrivano ad esso generando il proprio potenziale d'azione (impulso nervoso). L'impulso nervoso risultante viene poi trasportato lungo l'assone verso altre cellule nervose, muscolari o ghiandolari.

Sulla membrana del segmento iniziale dell'assone sono presenti spine su cui si formano le sinapsi inibitorie GABAergiche. L'arrivo di segnali in questo senso da altri neuroni può impedire la generazione di un impulso nervoso.

Classificazione e tipi di neuroni

La classificazione dei neuroni viene effettuata sia in base alle caratteristiche morfologiche che funzionali.

Per il numero di processi si distinguono i neuroni multipolari, bipolari e pseudo-unipolari.

In base alla natura delle connessioni con altre cellule e alla funzione svolta, si distinguono toccare, collegare E il motore neuroni. Tocco i neuroni sono anche chiamati neuroni afferenti e i loro processi sono centripeti. Vengono chiamati i neuroni che svolgono la funzione di trasmettere segnali tra le cellule nervose intercalare, O associativo. I neuroni i cui assoni formano sinapsi sulle cellule effettrici (muscolari, ghiandolari) vengono chiamati neuroni il motore, O efferente, i loro assoni sono detti centrifughi.

Neuroni afferenti (sensoriali). percepiscono le informazioni con i recettori sensoriali, le convertono in impulsi nervosi e le conducono al cervello e al midollo spinale. I corpi dei neuroni sensoriali si trovano nella spinale e nel cranio. Questi sono neuroni pseudounipolari, il cui assone e dendrite partono insieme dal corpo del neurone e poi si separano. Il dendrite segue la periferia degli organi e dei tessuti come parte dei nervi sensoriali o misti, e l'assone come parte delle radici posteriori entra nelle corna dorsali del midollo spinale o come parte dei nervi cranici nel cervello.

Inserimento, O associativi, neuroni eseguire le funzioni di elaborazione delle informazioni in arrivo e, in particolare, garantire la chiusura degli archi riflessi. I corpi di questi neuroni si trovano nel cervello e nel midollo spinale.

Neuroni efferenti svolgono anche la funzione di elaborare le informazioni ricevute e di trasmettere gli impulsi nervosi efferenti dal cervello e dal midollo spinale alle cellule degli organi esecutivi (effettori).

Attività integrativa di un neurone

Ogni neurone riceve un'enorme quantità di segnali attraverso numerose sinapsi situate sui suoi dendriti e sul corpo, nonché attraverso i recettori molecolari nelle membrane plasmatiche, nel citoplasma e nel nucleo. Nella segnalazione vengono utilizzati molti tipi diversi di neurotrasmettitori, neuromodulatori e altre molecole di segnalazione. Ovviamente, per poter formare una risposta alla ricezione simultanea di più segnali, il neurone deve essere in grado di integrarli.

Nel concetto è incluso l'insieme di processi che garantiscono l'elaborazione dei segnali in arrivo e la formazione di una risposta neuronale ad essi attività integrativa del neurone.

La percezione e l'elaborazione dei segnali che arrivano al neurone vengono effettuate con la partecipazione dei dendriti, del corpo cellulare e della collinetta assonale del neurone (Fig. 4).

Riso. 4. Integrazione dei segnali da parte di un neurone.

Una delle opzioni per la loro elaborazione e integrazione (somma) è la trasformazione in sinapsi e la somma dei potenziali postsinaptici sulla membrana del corpo e dei processi del neurone. I segnali percepiti vengono convertiti nelle sinapsi in fluttuazioni della differenza di potenziale della membrana postsinaptica (potenziali postsinaptici). A seconda del tipo di sinapsi, il segnale ricevuto può essere convertito in una piccola variazione (0,5-1,0 mV) depolarizzante nella differenza di potenziale (EPSP - le sinapsi sono mostrate nel diagramma come cerchi luminosi) o iperpolarizzante (TPSP - le sinapsi sono mostrate nel diagramma diagramma come cerchi neri). Molti segnali possono arrivare contemporaneamente a diversi punti del neurone, alcuni dei quali vengono trasformati in EPSP, altri in IPSP.

Queste oscillazioni della differenza di potenziale si propagano con l'aiuto di correnti circolari locali lungo la membrana del neurone in direzione della collinetta dell'assone sotto forma di onde di depolarizzazione (nel diagramma bianco) e iperpolarizzazione (nel diagramma nero), sovrapponendosi l'una all'altra (nel diagramma, aree grigie). Con questa sovrapposizione dell'ampiezza delle onde di una direzione, vengono riassunte e quelle opposte vengono ridotte (appianate). Questa somma algebrica della differenza di potenziale attraverso la membrana viene chiamata sommatoria spaziale(Fig. 4 e 5). Il risultato di questa somma può essere la depolarizzazione della membrana della collinetta assonica e la generazione di un impulso nervoso (casi 1 e 2 in Fig. 4), oppure la sua iperpolarizzazione e la prevenzione del verificarsi di un impulso nervoso (casi 3 e 4 in Fig. 4).

Per spostare la differenza di potenziale della membrana della collinetta assonica (circa 30 mV) in Ek, deve essere depolarizzata di 10-20 mV. Ciò porterà all'apertura dei canali del sodio voltaggio-dipendenti presenti in esso e alla generazione di un impulso nervoso. Poiché la depolarizzazione della membrana può raggiungere fino a 1 mV alla ricezione di un AP e la sua trasformazione in EPSP, e tutta la propagazione al collicolo assone è attenuata, la generazione di un impulso nervoso richiede l'invio simultaneo di 40-80 impulsi nervosi da altri neuroni al neurone attraverso le sinapsi eccitatorie e sommando la stessa quantità di EPSP.

Riso. 5. Somma spaziale e temporale dell'EPSP da parte di un neurone; a - EPSP ad un singolo stimolo; e - EPSP a stimolazione multipla da diverse afferenze; c - EPSP per stimolazione frequente attraverso una singola fibra nervosa

Se in questo momento un neurone riceve un certo numero di impulsi nervosi attraverso le sinapsi inibitorie, sarà possibile la sua attivazione e generazione di un impulso nervoso di risposta con un simultaneo aumento del flusso di segnali attraverso le sinapsi eccitatorie. In condizioni in cui i segnali che arrivano attraverso le sinapsi inibitorie causano un'iperpolarizzazione della membrana neuronale, uguale o maggiore della depolarizzazione causata dai segnali che arrivano attraverso le sinapsi eccitatorie, la depolarizzazione della membrana del collicolo dell'assone sarà impossibile, il neurone non genererà impulsi nervosi e diventerà inattivo .

Anche il neurone funziona sommatoria temporale I segnali EPSP e IPTS arrivano quasi contemporaneamente (vedi Fig. 5). I cambiamenti nella differenza di potenziale da essi causati nelle regioni quasi sinaptiche possono anche essere riassunti algebricamente, con la cosiddetta somma temporale.

Pertanto, ogni impulso nervoso generato da un neurone, così come il periodo di silenzio di un neurone, contiene informazioni ricevute da molte altre cellule nervose. Di solito, maggiore è la frequenza dei segnali che arrivano al neurone da altre cellule, più frequentemente si generano impulsi nervosi di risposta che vengono inviati lungo l'assone ad altre cellule nervose o effettrici.

A causa del fatto che ci sono (anche se in un piccolo numero) canali del sodio nella membrana del corpo del neurone e persino nei suoi dendriti, il potenziale d'azione che si è formato sulla membrana della collinetta dell'assone può diffondersi al corpo e alcuni parte dei dendriti del neurone. Il significato di questo fenomeno non è sufficientemente chiaro, ma si presume che il potenziale d'azione di propagazione appiani momentaneamente tutte le correnti locali presenti sulla membrana, ripristini i potenziali e contribuisca a una percezione più efficiente delle nuove informazioni da parte del neurone.

I recettori molecolari prendono parte alla trasformazione e all'integrazione dei segnali che arrivano al neurone. Allo stesso tempo, la loro stimolazione da parte di molecole segnale può portare a cambiamenti nello stato dei canali ionici attivati ​​(da proteine ​​G, secondi mediatori), alla trasformazione dei segnali percepiti in fluttuazioni della differenza di potenziale della membrana neuronale, alla somma e alla formazione di una risposta neuronale sotto forma di generazione di un impulso nervoso o della sua inibizione.

La trasformazione dei segnali da parte dei recettori molecolari metabotropici del neurone è accompagnata dalla sua risposta sotto forma di una cascata di trasformazioni intracellulari. La risposta del neurone in questo caso può essere un'accelerazione del metabolismo generale, un aumento della formazione di ATP, senza il quale è impossibile aumentare la sua attività funzionale. Utilizzando questi meccanismi, il neurone integra i segnali ricevuti per migliorare l'efficienza della propria attività.

Le trasformazioni intracellulari in un neurone, avviate dai segnali ricevuti, spesso portano ad un aumento della sintesi di molecole proteiche che svolgono le funzioni di recettori, canali ionici e trasportatori nel neurone. Aumentando il loro numero, il neurone si adatta alla natura dei segnali in arrivo, aumentando la sensibilità a quelli più significativi e indebolendosi a quelli meno significativi.

La ricezione da parte di un neurone di più segnali può essere accompagnata dall'espressione o dalla repressione di alcuni geni, ad esempio quelli che controllano la sintesi di neuromodulatori di natura peptidica. Poiché vengono consegnati ai terminali assonici del neurone e utilizzati in essi per potenziare o indebolire l'azione dei suoi neurotrasmettitori su altri neuroni, il neurone, in risposta ai segnali che riceve, può, a seconda delle informazioni ricevute, avere un effetto più forte o effetto più debole su altre cellule nervose da esso controllate. Considerando che l'azione modulatrice dei neuropeptidi può durare a lungo, anche l'influenza di un neurone su altre cellule nervose può durare a lungo.

Pertanto, grazie alla capacità di integrare vari segnali, il neurone può rispondere ad essi in modo sottile con un'ampia gamma di risposte che gli permettono di adattarsi efficacemente alla natura dei segnali in arrivo e di utilizzarli per regolare le funzioni di altre cellule.

circuiti neurali

I neuroni del sistema nervoso centrale interagiscono tra loro, formando varie sinapsi nel punto di contatto. Le schiume neurali risultanti aumentano notevolmente la funzionalità del sistema nervoso. I circuiti neurali più comuni includono: circuiti neurali locali, gerarchici, convergenti e divergenti con un input (Fig. 6).

Circuiti neurali locali formato da due o più neuroni. In questo caso, uno dei neuroni (1) darà il suo collaterale assonale al neurone (2), formando una sinapsi assosomatica sul suo corpo, e il secondo formerà una sinapsi assonomica sul corpo del primo neurone. Le reti neurali locali possono fungere da trappole in cui gli impulsi nervosi possono circolare a lungo in un cerchio formato da diversi neuroni.

La possibilità di circolazione a lungo termine di un'onda di eccitazione (impulso nervoso), che una volta si verificava a causa della trasmissione ma con struttura ad anello, è stata dimostrata sperimentalmente dal professor I.A. Vetokhin negli esperimenti sull'anello nervoso delle meduse.

La circolazione circolare degli impulsi nervosi lungo i circuiti neurali locali svolge la funzione di trasformazione del ritmo di eccitazione, offre la possibilità di un'eccitazione prolungata dopo la cessazione dei segnali che arrivano loro e partecipa ai meccanismi di memorizzazione delle informazioni in arrivo.

I circuiti locali possono anche svolgere una funzione di frenatura. Un esempio di ciò è l'inibizione ricorrente, che si realizza nel più semplice circuito neurale locale del midollo spinale, formato dall'a-motoneurone e dalla cellula di Renshaw.

Riso. 6. I circuiti neurali più semplici del SNC. Descrizione nel testo

In questo caso, l'eccitazione che si è verificata nel motoneurone si diffonde lungo il ramo dell'assone, attiva la cellula di Renshaw, che inibisce l'a-motoneurone.

catene convergenti sono formati da più neuroni, su uno dei quali (solitamente efferente) convergono o convergono gli assoni di numerose altre cellule. Tali circuiti sono ampiamente distribuiti nel sistema nervoso centrale. Ad esempio, gli assoni di molti neuroni nei campi sensoriali della corteccia convergono sui neuroni piramidali della corteccia motoria primaria. Gli assoni di migliaia di neuroni sensoriali e intercalari di vari livelli del sistema nervoso centrale convergono sui motoneuroni delle corna ventrali del midollo spinale. I circuiti convergenti svolgono un ruolo importante nell'integrazione dei segnali da parte dei neuroni efferenti e nel coordinamento dei processi fisiologici.

Catene divergenti con un ingresso sono formati da un neurone con un assone ramificato, ciascuno dei cui rami forma una sinapsi con un'altra cellula nervosa. Questi circuiti svolgono la funzione di trasmettere simultaneamente segnali da un neurone a molti altri neuroni. Ciò è ottenuto grazie alla forte ramificazione (formazione di diverse migliaia di rami) dell'assone. Tali neuroni si trovano spesso nei nuclei della formazione reticolare del tronco cerebrale. Forniscono un rapido aumento dell'eccitabilità di numerose parti del cervello e la mobilitazione delle sue riserve funzionali.

Le connessioni neurali nel cervello determinano comportamenti complessi. I neuroni sono piccole macchine informatiche che possono esercitare la loro influenza solo attraverso la rete.

Il controllo degli elementi comportamentali più semplici (ad esempio i riflessi) non richiede un gran numero di neuroni, ma anche i riflessi sono spesso accompagnati dalla consapevolezza da parte di una persona dell'attivazione del riflesso. La percezione cosciente degli stimoli sensoriali (e di tutte le funzioni superiori del sistema nervoso) dipende da un numero enorme di connessioni tra neuroni.

Le connessioni neurali ci rendono ciò che siamo. La loro qualità influenza il funzionamento degli organi interni, le capacità intellettuali e la stabilità emotiva.

"Cablaggio"

Le connessioni neurali del cervello sono il cablaggio del sistema nervoso. Il lavoro del sistema nervoso si basa sulla capacità di un neurone di percepire, elaborare e trasmettere informazioni ad altre cellule.

Le informazioni vengono trasmesse attraverso il comportamento umano e il funzionamento del suo corpo dipende interamente dalla trasmissione e ricezione degli impulsi da parte dei neuroni attraverso processi.

Un neurone ha due tipi di processi: un assone e un dendrite. L'assone di un neurone è sempre uno, è lungo esso che il neurone trasmette gli impulsi ad altre cellule. Riceve un impulso attraverso i dendriti, che possono essercene diversi.

Numerosi (a volte decine di migliaia) assoni di altri neuroni sono “collegati” ai dendriti. Dendrite e assone entrano in contatto attraverso la sinapsi.

Neurone e sinapsi

Lo spazio tra il dendrite e l'assone è la sinapsi. Perché l'assone è la “sorgente” dell'impulso, il dendrite è il “ricevitore”, e la fessura sinaptica è il luogo dell'interazione: il neurone da cui proviene l'assone è detto presinaptico; il neurone da cui ha origine il dendrite è postsinaptico.

Le sinapsi possono formarsi tra un assone e il corpo di un neurone e tra due assoni o due dendriti. Molte connessioni sinaptiche sono formate dalla spina dendritica e dall'assone. Le spine sono molto plastiche, hanno molte forme, possono scomparire e formarsi rapidamente. Sono sensibili agli influssi chimici e fisici (lesioni, malattie infettive).

Nelle sinapsi, molto spesso le informazioni vengono trasmesse attraverso mediatori (sostanze chimiche). Le molecole mediatrici vengono rilasciate sulla cellula presinaptica, attraversano la fessura sinaptica e si legano ai recettori di membrana della cellula postsinaptica. I mediatori possono trasmettere un segnale eccitatorio o inibitorio (inibitorio).

Le connessioni neuronali del cervello sono la connessione dei neuroni attraverso connessioni sinaptiche. Le sinapsi sono l'unità funzionale e strutturale del sistema nervoso. Il numero di connessioni sinaptiche è un indicatore chiave della funzione cerebrale.

Recettori

I recettori ricordano ogni volta che parlano di dipendenza da droga o alcol. Perché una persona ha bisogno di essere guidata dal principio di moderazione?

Il recettore sulla membrana postsinaptica è una proteina sintonizzata sulle molecole del mediatore. Quando una persona stimola artificialmente (ad esempio con farmaci) il rilascio di mediatori nella fessura sinaptica, la sinapsi cerca di ristabilire l'equilibrio: riduce il numero di recettori o la loro sensibilità. Per questo motivo, i livelli di concentrazione naturale dei neurotrasmettitori nella sinapsi cessano di avere effetto sulle strutture neuronali.

Ad esempio, le persone che fumano nicotina modificano la suscettibilità dei recettori all'acetilcolina, si verifica la desensibilizzazione (diminuzione della sensibilità) dei recettori. Il livello naturale di acetilcolina è insufficiente per i recettori con sensibilità ridotta. Perché l'acetilcolina è coinvolta in molti processi, compresi quelli associati alla concentrazione e al comfort, un fumatore non può ottenere gli effetti benefici del sistema nervoso senza nicotina.

Tuttavia, la sensibilità dei recettori viene gradualmente ripristinata. Sebbene ciò possa richiedere molto tempo, la sinapsi ritorna alla normalità e la persona non ha più bisogno di stimolanti di terze parti.

Sviluppo di reti neurali

Cambiamenti a lungo termine nelle connessioni neurali si verificano in varie malattie (mentali e neurologiche - schizofrenia, autismo, epilessia, malattia di Huntington, morbo di Alzheimer e morbo di Parkinson). Le connessioni sinaptiche e le proprietà interne dei neuroni cambiano, il che porta alla rottura del sistema nervoso.

L'attività dei neuroni è responsabile dello sviluppo delle connessioni sinaptiche. "Usalo o perdilo" è il principio alla base del cervello. Più spesso i neuroni "agiscono", maggiori sono le connessioni tra loro, meno spesso, meno connessioni. Quando un neurone perde tutte le sue connessioni, muore.

Quando il livello medio di attività neuronale diminuisce (ad esempio a causa di un infortunio), i neuroni stabiliscono nuovi contatti e l'attività neuronale aumenta con il numero di sinapsi. È vero anche il contrario: non appena il livello di attività supera il livello abituale, il numero di connessioni sinaptiche diminuisce. Forme simili di omeostasi si verificano spesso in natura, ad esempio nella regolazione della temperatura corporea e dei livelli di zucchero nel sangue.

M. Butz M. Butz ha osservato:

La formazione di nuove sinapsi è dovuta al desiderio dei neuroni di mantenere un dato livello di attività elettrica...

Henry Markram, coinvolto in un progetto per creare una simulazione neurale del cervello, evidenzia le prospettive per un settore di studiare l'interruzione, la riparazione e lo sviluppo delle connessioni neurali. Il gruppo di ricerca ha già digitalizzato 31.000 neuroni di ratto. Le connessioni neurali del cervello del ratto sono presentate nel video qui sotto.

neuroplasticità

Lo sviluppo delle connessioni neurali nel cervello è associato alla creazione di nuove sinapsi e alla modifica di quelle esistenti. La possibilità di modifiche è dovuta alla plasticità sinaptica - un cambiamento nella "potenza" della sinapsi in risposta all'attivazione dei recettori sulla cellula postsinaptica.

Una persona può ricordare informazioni e apprendere grazie alla plasticità del cervello. La violazione delle connessioni neurali del cervello dovuta a lesioni cerebrali traumatiche e malattie neurodegenerative dovute alla neuroplasticità non diventa fatale.

La neuroplasticità è guidata dalla necessità di cambiare in risposta a nuove condizioni di vita, ma può sia risolvere i problemi di una persona sia crearli. Un riflesso è anche un cambiamento nella potenza delle sinapsi, ad esempio quando si fuma, mentre le droghe e il disturbo ossessivo-compulsivo sono così difficili da eliminare proprio a causa dei cambiamenti disadattivi nelle sinapsi delle reti neurali.

La neuroplasticità è fortemente influenzata da fattori neurotrofici. N. V. Gulyaeva sottolinea che vari disturbi delle connessioni neurali si verificano sullo sfondo di una diminuzione dei livelli di neurotrofine. La normalizzazione del livello delle neurotrofine porta al ripristino delle connessioni neurali nel cervello.

Tutti i farmaci efficaci usati per trattare le malattie del cervello, indipendentemente dalla loro struttura, se sono efficaci, in un modo o nell'altro, normalizzano i livelli locali dei fattori neurotrofici.

L’ottimizzazione dei livelli di neurotrofine non può ancora essere raggiunta mediante la loro somministrazione diretta al cervello. Ma una persona può influenzare indirettamente i livelli di neurotrofine attraverso carichi fisici e cognitivi.

Esercizio fisico

Le revisioni degli studi mostrano che l’esercizio migliora l’umore e la cognizione. Le prove suggeriscono che questi effetti sono dovuti a livelli alterati di fattore neurotrofico (BDNF) e al miglioramento della salute cardiovascolare.

Livelli elevati di BDNF sono stati associati a migliori misurazioni dell'abilità spaziale, livelli episodici e bassi di BDNF, soprattutto negli anziani, sono stati correlati con l'atrofia dell'ippocampo e il deterioramento della memoria, che possono essere correlati ai problemi cognitivi che si verificano nella malattia di Alzheimer.

Quando esplorano le possibilità di curare e prevenire l'Alzheimer, i ricercatori parlano spesso dell'indispensabilità dell'esercizio fisico per le persone. Pertanto, gli studi dimostrano che camminare regolarmente influisce sulle dimensioni dell’ippocampo e migliora la memoria.

L’attività fisica aumenta il tasso di neurogenesi. L'emergere di nuovi neuroni è una condizione importante per il riapprendimento (acquisizione di nuove esperienze e cancellazione di quelle vecchie).

Carichi cognitivi

Le connessioni neurali nel cervello si sviluppano quando una persona si trova in un ambiente arricchito di stimoli. Le nuove esperienze sono la chiave per aumentare le connessioni neurali.

Una nuova esperienza è un conflitto quando il problema non viene risolto con i mezzi di cui già dispone il cervello. Pertanto, deve creare nuove connessioni, nuovi modelli di comportamento, che sono associati ad un aumento della densità delle spine, del numero di dendriti e delle sinapsi.

L'apprendimento di nuove competenze porta alla formazione di nuove spine e alla destabilizzazione delle vecchie connessioni colonna vertebrale-assone. Una persona sviluppa nuove abitudini e quelle vecchie scompaiono. Alcuni studi hanno collegato i disturbi cognitivi (ADHD, autismo, ritardo mentale) con anomalie spinali.

Le spine sono molto plastiche. Il numero, la forma e la dimensione delle spine sono associati alla motivazione, all'apprendimento e alla memoria.

Il tempo necessario per cambiare forma e dimensione è letteralmente misurato in ore. Ma ciò significa anche che nuove connessioni possono scomparire altrettanto rapidamente. Pertanto, è meglio dare priorità ai carichi cognitivi brevi ma frequenti rispetto a quelli lunghi e poco frequenti.

Stile di vita

La dieta può migliorare le capacità cognitive e proteggere le connessioni neurali del cervello dai danni, favorire il recupero dalle malattie e contrastare gli effetti dell’invecchiamento. La salute del cervello sembra essere influenzata positivamente da:

- omega-3 (pesce, semi di lino, kiwi, frutta secca);

- curcumina (curry);

- flavonoidi (cacao, tè verde, agrumi, cioccolato fondente);

- vitamine del gruppo B;

- vitamina E (avocado, noci, arachidi, spinaci, farina di frumento);

- colina (pollo, vitello, tuorli d'uovo).

La maggior parte di questi prodotti influenza indirettamente le neurotrofine. L’impatto positivo della dieta è rafforzato dalla presenza dell’esercizio fisico. Inoltre, una moderata restrizione calorica nella dieta stimola l’espressione delle neurotrofine.

Per il ripristino e lo sviluppo delle connessioni neurali è utile l'esclusione dei grassi saturi e degli zuccheri raffinati. Gli alimenti con zuccheri aggiunti riducono i livelli di neurotrofina, che influisce negativamente sulla neuroplasticità. E l'alto contenuto di grassi saturi negli alimenti rallenta persino il recupero del cervello dopo lesioni cerebrali traumatiche.

Tra i fattori negativi che influenzano le connessioni neurali ci sono il fumo e lo stress. Il fumo e lo stress prolungato sono stati recentemente associati a cambiamenti neurodegenerativi. Sebbene lo stress a breve termine possa essere un catalizzatore della neuroplasticità.

Anche il funzionamento delle connessioni neurali dipende dal sonno. Forse anche più di tutti gli altri fattori elencati. Perché il sonno stesso è “il prezzo che paghiamo per la plasticità cerebrale” (Il sonno è il prezzo che paghiamo per la plasticità cerebrale. Ch. Cirelli – C. Cirelli).

Riepilogo

Come migliorare le connessioni neurali nel cervello? L’influenza positiva è esercitata da:

• esercizio fisico;
• compiti e difficoltà;
• sonno completo;
• dieta bilanciata.

Impatto negativo:

• cibi grassi e zucchero;
• fumare;
• stress prolungato.

Il cervello è estremamente plastico, ma è molto difficile "scolpirne" qualcosa. Non gli piace sprecare energie in cose inutili. Lo sviluppo più rapido di nuove connessioni avviene in una situazione di conflitto, quando una persona non è in grado di risolvere il problema con metodi conosciuti.

È stato presentato un modello del sistema nervoso, descriverò la teoria e i principi che ne costituiscono la base.

La teoria si basa sull'analisi delle informazioni disponibili sul neurone biologico e sul sistema nervoso provenienti dalle moderne neuroscienze e dalla fisiologia del cervello.

Innanzitutto, fornirò brevi informazioni sull'oggetto di modellazione, tutte le informazioni sono presentate di seguito, prese in considerazione e utilizzate nel modello.

NEURONE

Il neurone è il principale elemento funzionale del sistema nervoso, è costituito dal corpo della cellula nervosa e dai suoi processi. Esistono due tipi di processi: assoni e dendriti. Un assone è un lungo processo rivestito di mielina progettato per trasmettere gli impulsi nervosi su lunghe distanze. Un dendrite è un breve processo ramificato, grazie al quale esiste un'interconnessione con molte cellule vicine.

TRE TIPI DI NEURONI

I neuroni possono differire notevolmente per forma, dimensione e configurazione, nonostante ciò esiste una somiglianza fondamentale del tessuto nervoso nelle diverse parti del sistema nervoso e non esistono gravi differenze evolutive. La cellula nervosa del mollusco Aplysia può rilasciare gli stessi neurotrasmettitori e proteine ​​di una cellula umana.

A seconda della configurazione si distinguono tre tipi di neuroni:

A) neuroni recettoriali, centripeti o afferenti, questi neuroni hanno un assone centripeto, alla fine del quale si trovano recettori, terminazioni recettoriali o afferenti. Questi neuroni possono essere definiti come elementi che trasmettono segnali esterni al sistema.

B) interneuroni (intercalari, di contatto o intermedi) neuroni che non hanno processi lunghi, ma hanno solo dendriti. Ci sono più neuroni di questo tipo nel cervello umano rispetto al resto. Questo tipo di neurone è l'elemento principale dell'arco riflesso.

C) motori, centrifughi o efferenti, hanno un assone centripeto, che presenta terminazioni efferenti che trasmettono l'eccitazione alle cellule muscolari o ghiandolari. I neuroni efferenti servono a trasmettere segnali dall'ambiente nervoso all'ambiente esterno.

Di solito, gli articoli sulle reti neurali artificiali prevedono la presenza di soli motoneuroni (con un assone centrifugo), che sono collegati a strati di una struttura gerarchica. Tale descrizione è applicabile al sistema nervoso biologico, ma è una specie di caso speciale, stiamo parlando di strutture, riflessi condizionati di base. Più alto è il significato evolutivo del sistema nervoso, meno prevalgono in esso strutture come "strati" o una rigida gerarchia.

TRASMISSIONE DELL'ECCITAZIONE NERVOSA

La trasmissione dell'eccitazione avviene da neurone a neurone, attraverso particolari ispessimenti alle estremità dei dendriti, chiamati sinapsi. In base al tipo di trasmissione, le sinapsi si dividono in due tipi: chimiche ed elettriche. Le sinapsi elettriche trasmettono l'impulso nervoso direttamente attraverso il punto di contatto. Ci sono pochissime sinapsi di questo tipo nel sistema nervoso e non verranno prese in considerazione nei modelli. Le sinapsi chimiche trasmettono un impulso nervoso attraverso una speciale sostanza mediatrice (neurotrasmettitore, neurotrasmettitore), questo tipo di sinapsi è molto diffuso e implica variabilità nel lavoro.
È importante notare che nel neurone biologico si verificano costantemente cambiamenti, nuovi dendriti e sinapsi crescono ed è possibile la migrazione dei neuroni. Le neoplasie si formano nei punti di contatto con altri neuroni, per il neurone trasmittente è una sinapsi, per il neurone ricevente è una membrana postsinaptica fornita di speciali recettori che rispondono al mediatore, cioè possiamo dire che la membrana del neurone è un ricevitore e le sinapsi sui dendriti sono trasmettitori di segnali.

SINAPSI

Quando una sinapsi viene attivata, espelle porzioni del mediatore, queste porzioni possono variare, quanto più il mediatore viene rilasciato, tanto più è probabile che il segnale ricevuto dalla cellula nervosa venga attivato. Il mediatore, superando la fessura sinottica, entra nella membrana postsinaptica, sulla quale si trovano i recettori che rispondono al mediatore. Inoltre, il neurotrasmettitore può essere distrutto da uno speciale enzima distruttivo, o riassorbito dalla sinapsi, ciò avviene per ridurre il tempo di azione del mediatore sui recettori.
Inoltre, oltre all'effetto incentivante, ci sono sinapsi che hanno un effetto inibitorio sul neurone. Tipicamente, queste sinapsi appartengono a determinati neuroni, chiamati neuroni inibitori.
Possono esserci molte sinapsi che collegano un neurone con la stessa cellula bersaglio. Per semplicità, prendiamo la totalità dell'impatto esercitato da un neurone su un altro neurone bersaglio come una sinapsi con una certa forza d'impatto. La caratteristica principale di una sinapsi sarà la sua forza.

STATO DI ECCITAZIONE DI UN NEURONE

A riposo, la membrana del neurone è polarizzata. Ciò significa che le particelle con cariche opposte si trovano su entrambi i lati della membrana. A riposo, la superficie esterna della membrana è carica positivamente, mentre la superficie interna è carica negativamente. I principali portatori di carica nel corpo sono gli ioni sodio (Na+), potassio (K+) e cloro (Cl-).
La differenza tra le cariche sulla superficie della membrana e all'interno del corpo cellulare è il potenziale di membrana. Il mediatore provoca disturbi di polarizzazione - depolarizzazione. Gli ioni positivi provenienti dall'esterno della membrana si riversano attraverso i canali aperti nel corpo cellulare, modificando il rapporto di carica tra la superficie della membrana e il corpo cellulare.

Variazione del potenziale di membrana in seguito all'eccitazione di un neurone

La natura dei cambiamenti nel potenziale di membrana durante l'attivazione del tessuto nervoso rimane invariata. Indipendentemente dalla forza esercitata sul neurone, se la forza supera un certo valore di soglia la risposta sarà la stessa.
Guardando al futuro, voglio notare che anche le tracce potenziali contano nel lavoro del sistema nervoso (vedi il grafico sopra). Non compaiono, a causa di alcune oscillazioni armoniche che bilanciano le cariche, sono una manifestazione rigorosa di una certa fase dello stato del tessuto nervoso durante l'eccitazione.

TEORIA DELL'INTERAZIONE ELETTROMAGNETICA

Quindi, fornirò inoltre presupposti teorici che ci permetteranno di creare modelli matematici. L'idea principale è l'interazione tra le cariche formatesi all'interno del corpo cellulare, durante la sua attività, e le cariche provenienti dalle superfici delle membrane di altre cellule attive. Queste cariche sono opposte, in relazione a ciò si può presumere come le cariche si troveranno nel corpo cellulare sotto l'influenza delle cariche di altre cellule attive.

Possiamo dire che il neurone sente l'attività di altri neuroni a distanza, cerca di dirigere la diffusione dell'eccitazione verso altre aree attive.
Al momento dell'attività dei neuroni si può calcolare un certo punto nello spazio, che sarebbe definito come la somma delle masse di cariche situate sulle superfici di altri neuroni. Chiamiamo il punto specificato punto del modello, il suo campo dipende dalla combinazione delle fasi di attività di tutti i neuroni del sistema nervoso. Uno schema nella fisiologia del sistema nervoso è una combinazione unica di cellule attive, cioè possiamo parlare dell'influenza delle parti eccitate del cervello sul funzionamento di un singolo neurone.
È necessario rappresentare il lavoro di un neurone non solo come un calcolatore, ma come una sorta di ripetitore di eccitazione, che seleziona la direzione di propagazione dell'eccitazione, formando così circuiti elettrici complessi. Inizialmente, si presumeva che il neurone semplicemente spegnesse/accendesse selettivamente le sue sinapsi per la trasmissione, a seconda della direzione preferita di eccitazione. Ma uno studio più dettagliato della natura del neurone ha portato alla conclusione che il neurone può modificare il grado di impatto sulla cellula bersaglio attraverso la forza delle sue sinapsi, il che rende il neurone un elemento computazionale più flessibile e variabile del sistema nervoso. .

Qual è la direzione preferita per il trasferimento dell'eccitazione? In vari esperimenti relativi alla formazione di riflessi incondizionati, si può determinare che nel sistema nervoso si formano percorsi o archi riflessi che collegano le aree attivate del cervello durante la formazione di riflessi incondizionati, vengono create connessioni associative. Ciò significa che il neurone deve trasmettere l'eccitazione ad altre parti attive del cervello, ricordare la direzione e usarla in futuro.
Immagina un vettore il cui inizio si trova al centro della gabbia attiva e la cui fine è diretta al punto dello schema definito per un dato neurone. Indichiamo come vettore della direzione preferita di propagazione dell'eccitazione (T, tendenza). In un neurone biologico, il vettore T può manifestarsi nella struttura del neuroplasma stesso, forse questi sono canali per il movimento degli ioni nel corpo cellulare o altri cambiamenti nella struttura del neurone.
Il neurone ha la proprietà della memoria, può ricordare il vettore T, la direzione di questo vettore, può cambiare ed essere riscritta a seconda di fattori esterni. Il grado in cui il vettore T può subire cambiamenti è chiamato neuroplasticità.
Questo vettore, a sua volta, influenza il funzionamento delle sinapsi neuronali. Per ciascuna sinapsi definiamo il vettore S, il cui inizio si trova al centro della cellula e la fine è diretta al centro del neurone bersaglio a cui è connessa la sinapsi. Ora il grado di influenza per ciascuna sinapsi può essere determinato come segue: quanto più piccolo è l'angolo tra il vettore T e S, tanto più grande sarà la sinapsi, rafforzata; più piccolo è l'angolo, più forte sarà l'indebolimento della sinapsi e possibilmente l'interruzione della trasmissione dell'eccitazione. Ogni sinapsi ha una proprietà di memoria indipendente; ricorda il valore della sua forza. Questi valori cambiano ad ogni attivazione del neurone, sotto l'influenza del vettore T, aumentano o diminuiscono di un certo valore.

MODELLO MATEMATICO

I segnali di ingresso (x1, x2,…xn) di un neurone sono numeri reali che caratterizzano la forza delle sinapsi neuronali che colpiscono il neurone.
Un valore positivo dell'input indica un effetto eccitatorio sul neurone, mentre un valore negativo indica un effetto inibitorio.
Per un neurone biologico, non importa da dove provenga il segnale che lo eccita, il risultato della sua attività sarà identico. Il neurone verrà attivato quando la somma delle influenze su di esso supera un certo valore di soglia. Pertanto, tutti i segnali passano attraverso il sommatore (a), e poiché i neuroni e il sistema nervoso lavorano in tempo reale, quindi, l'impatto degli input deve essere valutato in un breve periodo di tempo, cioè l'impatto della sinapsi è temporaneo.
Il risultato del sommatore supera la funzione di soglia (b), se la somma supera il valore di soglia, ciò porta all'attività del neurone.
Quando attivato, il neurone segnala la sua attività al sistema, trasmettendo informazioni sulla sua posizione nello spazio del sistema nervoso e sulla carica che cambia nel tempo (c).
Dopo un certo tempo, dopo l'attivazione, il neurone trasmette l'eccitazione a tutte le sinapsi disponibili, ricalcolandone preliminarmente la forza. Durante l'intero periodo di attivazione, il neurone smette di rispondere agli stimoli esterni, cioè tutti gli effetti delle sinapsi di altri neuroni vengono ignorati. Il periodo di attivazione comprende anche il periodo di recupero del neurone.
Il vettore T (r) viene corretto tenendo conto del valore del punto di pattern Pp e del livello di neuroplasticità. Poi c'è una rivalutazione dei valori di tutte le forze sinaptiche nel neurone (e).
Si noti che i blocchi (d) ed (e) vengono eseguiti in parallelo con il blocco (c).

EFFETTO ONDA

Se analizziamo attentamente il modello proposto, possiamo vedere che la fonte di eccitazione dovrebbe avere un effetto maggiore sul neurone rispetto a un'altra parte remota e attiva del cervello. Sorge quindi la domanda: perché comunque la trasmissione avviene in direzione di un altro sito attivo?
Sono stato in grado di determinare questo problema solo creando un modello computerizzato. La soluzione è stata suggerita da un grafico dei cambiamenti nel potenziale di membrana durante l'attività dei neuroni.

Una migliore ripolarizzazione del neurone, come accennato in precedenza, è importante per il sistema nervoso, grazie ad essa si crea un effetto onda, il desiderio di diffondere l'eccitazione nervosa dalla fonte di eccitazione.
Lavorando con il modello, ho osservato due effetti, se il potenziale di traccia è trascurato o non sufficientemente grande, l'eccitazione non si propaga dalle sorgenti, ma tende maggiormente alla localizzazione. Se il potenziale di traccia è reso molto grande, l'eccitazione tende a "disperdersi" in direzioni diverse, non solo dalla sua fonte, ma anche da altre.

MAPPA COGNITIVA

Utilizzando la teoria dell'interazione elettromagnetica, è possibile spiegare molti fenomeni e processi complessi che si verificano nel sistema nervoso. Ad esempio, una delle ultime scoperte ampiamente discusse nelle scienze del cervello è la scoperta delle mappe cognitive nell’ippocampo.
L’ippocampo è la regione del cervello responsabile della memoria a breve termine. Esperimenti sui ratti hanno rivelato che un certo gruppo localizzato di cellule nell'ippocampo corrisponde a un certo punto nel labirinto, e non importa come l'animale arriva in questo posto, la sezione del tessuto nervoso corrispondente a questo posto sarà comunque attivato. Naturalmente l'animale deve ricordarsi di questo labirinto; non bisogna contare sulla corrispondenza topologica tra lo spazio del labirinto e la mappa cognitiva.

Ogni luogo del labirinto è rappresentato nel cervello come un insieme di stimoli di natura diversa: odori, colori delle pareti, possibili oggetti notevoli, suoni caratteristici, ecc. Questi stimoli si riflettono nella corteccia, in varie rappresentazioni degli organi di senso, in sotto forma di esplosioni di attività in determinate combinazioni. Il cervello elabora simultaneamente le informazioni in più dipartimenti, spesso i canali informativi sono separati, le stesse informazioni entrano in diverse parti del cervello.

Attivazione dei neuroni posizionati a seconda della posizione nel labirinto (l'attività dei diversi neuroni è mostrata in diversi colori).

L'ippocampo si trova al centro del cervello, l'intero cara e le sue regioni sono allontanati da esso, alla stessa distanza. Se determiniamo per ogni combinazione unica di stimoli un punto di masse di cariche sulla superficie dei neuroni, allora possiamo vedere che questi punti saranno diversi e si troveranno approssimativamente al centro del cervello. L'eccitazione nell'ippocampo tenderà a questi punti e si diffonderà, formando aree stabili di eccitazione. Inoltre, il successivo cambiamento delle combinazioni di stimoli porterà ad uno spostamento del punto del modello. Le sezioni della mappa cognitiva verranno associate tra loro in sequenza, il che porterà al fatto che un animale posizionato all'inizio di un labirinto familiare potrà ricordare l'intero percorso successivo.

Conclusione

Molti avranno una domanda: dove sono i prerequisiti per l'elemento di razionalità o manifestazioni di attività intellettuale superiore in questo lavoro?
È importante notare che il fenomeno del comportamento umano è una conseguenza del funzionamento della struttura biologica. Pertanto, per imitare il comportamento intelligente, è necessario avere una buona conoscenza dei principi e delle caratteristiche del funzionamento delle strutture biologiche. Sfortunatamente, la scienza della biologia non ha ancora presentato un algoritmo chiaro: come funziona un neurone, come capisce dove è necessario far crescere i suoi dendriti, come sintonizza le sue sinapsi in modo che un semplice riflesso condizionato possa formarsi nel sistema nervoso, simili a quelli dimostrati e descritti nell'accademico I.P. Pavlov.
D'altra parte, nella scienza dell'intelligenza artificiale, nell'approccio dal basso verso l'alto (biologico), si è sviluppata una situazione paradossale, vale a dire: quando i modelli utilizzati nella ricerca si basano su idee obsolete sul neurone biologico, il conservatorismo, che è sulla base del perceptron senza ripensare i suoi principi di base, senza rivolgersi alla fonte biologica, si stanno inventando algoritmi e strutture sempre più ingegnosi che non hanno radici biologiche.
Naturalmente, nessuno sminuisce i meriti delle reti neurali classiche, che hanno dato molti prodotti software utili, ma giocare con loro non è il modo per creare un sistema operativo intelligente.
Inoltre, non sono rare le affermazioni secondo cui il neurone è come una potente macchina informatica, attribuite alla proprietà dei computer quantistici. A causa di questa supercomplessità, l'impossibilità di ripeterla viene attribuita al sistema nervoso, perché ciò è commisurato al desiderio di modellare l'animo umano. Tuttavia, in realtà, la natura segue la strada della semplicità e dell'eleganza delle sue soluzioni, il movimento delle cariche sulla membrana cellulare può servire sia per trasmettere l'eccitazione nervosa, sia per trasmettere informazioni su dove avviene questo trasferimento.
Nonostante questo lavoro dimostri come si formano i riflessi condizionati elementari nel sistema nervoso, ci avvicina alla comprensione di cosa siano l'intelligenza e l'attività razionale.

Ci sono molti altri aspetti del lavoro del sistema nervoso: meccanismi di inibizione, principi di costruzione delle emozioni, organizzazione di riflessi incondizionati e apprendimento, senza i quali è impossibile costruire un modello qualitativo del sistema nervoso. Esiste una comprensione, a livello intuitivo, di come funziona il sistema nervoso, i cui principi possono essere incorporati in modelli.
La creazione del primo modello ha contribuito a elaborare e correggere l'idea dell'interazione elettromagnetica dei neuroni. Comprendere come si formano gli archi riflessi, come ogni singolo neurone capisce come impostare le proprie sinapsi per ricevere connessioni associative.
Al momento ho iniziato a sviluppare una nuova versione del programma che ti permetterà di simulare molti altri aspetti del lavoro del neurone e del sistema nervoso.

Si prega di prendere parte attiva alla discussione delle ipotesi e dei presupposti qui avanzati, poiché posso essere parziale rispetto alle mie idee. La tua opinione è molto importante per me.

Tag: aggiungi tag

In questo articolo parleremo dei neuroni del cervello. I neuroni della corteccia cerebrale sono l'unità strutturale e funzionale dell'intero sistema nervoso generale.

Una cellula del genere ha una struttura molto complessa, un'elevata specializzazione e, se parliamo della sua struttura, la cellula è costituita da un nucleo, un corpo e processi. Ci sono circa 100 miliardi di queste cellule nel corpo umano.

Funzioni

Qualsiasi cellula che si trova nel corpo umano è necessariamente responsabile dell'una o dell'altra delle sue funzioni. I neuroni non fanno eccezione.

Loro, come altre cellule cerebrali, sono tenuti a mantenere la propria struttura e alcune funzioni, nonché ad adattarsi ai possibili cambiamenti delle condizioni e, di conseguenza, a svolgere processi regolatori sulle cellule che si trovano nelle immediate vicinanze.

La funzione principale dei neuroni è l'elaborazione di informazioni importanti, vale a dire la loro ricezione, conduzione e quindi trasmissione ad altre cellule. Le informazioni arrivano attraverso le sinapsi che hanno recettori per gli organi sensoriali o altri neuroni.

Inoltre, in alcune situazioni, il trasferimento di informazioni può avvenire direttamente dall'ambiente esterno con l'aiuto dei cosiddetti dendriti specializzati. L'informazione viene trasportata attraverso gli assoni e la sua trasmissione avviene attraverso le sinapsi.

Struttura

Corpo cellulare. Questa parte del neurone è considerata la più importante ed è costituita dal citoplasma e dal nucleo, che creano il protoplasma, all'esterno è limitato ad una sorta di membrana costituita da un doppio strato di lipidi.

A sua volta, un tale strato di lipidi, comunemente chiamato anche strato biolipidico, è costituito da code idrofobiche e dalle stesse teste. Va notato che tali lipidi sono in coda l'uno all'altro e quindi creano una sorta di strato idrofobo che è in grado di attraversare solo le sostanze che si dissolvono nei grassi.

Sulla superficie della membrana ci sono proteine ​​che si presentano sotto forma di globuli. Su tali membrane si formano escrescenze di polisaccaridi, con l'aiuto dei quali la cellula ha una buona opportunità di percepire le irritazioni di fattori esterni. Qui sono presenti anche proteine ​​integrali, che in realtà penetrano attraverso l'intera superficie della membrana e in esse, a loro volta, si trovano i canali ionici.

Le cellule neuronali della corteccia cerebrale sono costituite da corpi, il diametro varia da 5 a 100 micron, che contengono un nucleo (con molti pori nucleari), nonché alcuni organelli, incluso un ER ruvido con sviluppo abbastanza forte con ribosomi attivi .

Inoltre, i processi sono inclusi in ogni singola cellula di un neurone. Esistono due tipi principali di processi: assoni e dendriti. Una caratteristica del neurone è che ha un citoscheletro sviluppato, che è effettivamente in grado di penetrare nei suoi processi.

Grazie al citoscheletro, la forma necessaria e standard della cellula viene costantemente mantenuta, e i suoi fili agiscono come una sorta di "binari" attraverso i quali vengono trasportati organelli e sostanze, che vengono imballati in vescicole di membrana.

Dendriti e assone. L'assone sembra un processo piuttosto lungo, che si adatta perfettamente ai processi volti all'eccitazione di un neurone dal corpo umano.

I dendriti sembrano completamente diversi, se non altro perché la loro lunghezza è molto più breve, e hanno anche processi eccessivamente sviluppati che svolgono il ruolo del sito principale in cui iniziano ad apparire le sinapsi inibitorie, che possono quindi influenzare il neurone, che in un breve periodo di tempo i neuroni umani sono eccitati.

Tipicamente, un neurone è costituito da più dendriti alla volta. Poiché esiste un solo assone. Un neurone ha connessioni con molti altri neuroni, a volte ce ne sono circa 20.000.

I dendriti si dividono in modo dicotomico, a loro volta gli assoni sono in grado di dare collaterali. Quasi ogni neurone contiene diversi mitocondri nei nodi ramificati.

Vale anche la pena notare che i dendriti non hanno alcuna guaina mielinica, mentre gli assoni possono avere un tale organo.

Una sinapsi è un luogo in cui avviene il contatto tra due neuroni o tra una cellula effettrice che riceve un segnale e il neurone stesso.

La funzione principale di un tale neurone componente è la trasmissione degli impulsi nervosi tra diverse cellule, mentre la frequenza del segnale può variare a seconda della velocità e del tipo di trasmissione di questo segnale.

Va notato che alcune sinapsi sono in grado di provocare la depolarizzazione dei neuroni, mentre altre, al contrario, iperpolarizzano. Il primo tipo di neuroni è chiamato eccitatorio e il secondo inibitorio.

Di norma, affinché il processo di eccitazione di un neurone possa iniziare, diverse sinapsi eccitatorie devono agire contemporaneamente come stimoli.

Classificazione

In base al numero e alla localizzazione dei dendriti, nonché alla posizione dell'assone, i neuroni cerebrali sono divisi in neuroni unipolari, bipolari, privi di assoni, multipolari e pseudo-unipolari. Ora vorrei considerare ciascuno di questi neuroni in modo più dettagliato.

Neuroni unipolari hanno un piccolo processo e sono spesso localizzati nel nucleo sensoriale del cosiddetto nervo trigemino, situato nella parte centrale del cervello.

Neuroni senza assoni sono di piccole dimensioni e localizzati nelle immediate vicinanze del midollo spinale, cioè nelle galle intervertebrali e non presentano assolutamente alcuna divisione dei processi in assoni e dendriti; tutti i processi hanno quasi lo stesso aspetto e non ci sono differenze serie tra loro.

neuroni bipolari sono costituiti da un dendrite, che si trova in speciali organi di senso, in particolare nella griglia oculare e nel bulbo, nonché da un solo assone;

Neuroni multipolari hanno diversi dendriti e un assone nella propria struttura e si trovano nel sistema nervoso centrale;

Neuroni pseudo-unipolari sono considerati peculiari a modo loro, poiché all'inizio solo un processo si allontana dal corpo principale, che è costantemente diviso in molti altri, e tali processi si trovano esclusivamente nei gangli spinali.

Esiste anche una classificazione dei neuroni in base al principio funzionale. Quindi, secondo tali dati, si distinguono i neuroni efferenti, afferenti, motori e anche gli interneuroni.

Neuroni efferenti hanno nella loro composizione sottospecie non ultimatum e ultimatum. Inoltre, includono le cellule primarie degli organi sensibili umani.

Neuroni afferenti. I neuroni di questa categoria comprendono sia cellule primarie di organi umani sensibili sia cellule pseudo-unipolari che hanno dendriti con terminazioni libere.

Neuroni associativi. La funzione principale di questo gruppo di neuroni è l'implementazione della comunicazione tra tipi di neuroni efferenti afferenti. Tali neuroni sono divisi in proiezione e commissurali.

Sviluppo e crescita

I neuroni iniziano a svilupparsi da una piccola cellula, che è considerata il suo predecessore e smette di dividersi anche prima che si formino i primi processi propri.

Va notato che al momento gli scienziati non hanno ancora studiato a fondo la questione dello sviluppo e della crescita dei neuroni, ma lavorano costantemente in questa direzione.

Nella maggior parte dei casi si sviluppano per primi gli assoni, seguiti dai dendriti. Alla fine del processo, che inizia a svilupparsi costantemente, si forma un ispessimento di una forma specifica e insolita per una tale cellula, e così viene aperto un percorso attraverso il tessuto che circonda i neuroni.

Questo ispessimento è comunemente chiamato cono di crescita delle cellule nervose. Questo cono è costituito da una parte appiattita del processo della cellula nervosa, che a sua volta è costituita da un gran numero di spine piuttosto sottili.

Le microspine hanno uno spessore compreso tra 0,1 e 0,2 micromicron e in lunghezza possono raggiungere i 50 micron. Parlando direttamente dell'area piatta e ampia del cono, va notato che tende a modificare i propri parametri.

Tra le micropunte del cono sono presenti degli spazi vuoti, che sono completamente ricoperti da una membrana ripiegata. Le microspine si muovono in modo permanente, grazie al quale, in caso di danno, i neuroni si ripristinano e acquisiscono la forma necessaria.

Vorrei sottolineare che ogni singola cellula si muove a modo suo, quindi se una di esse si allunga o si espande, la seconda può deviare in direzioni diverse o addirittura attaccarsi al substrato.

Il cono di crescita è completamente pieno di vescicole membranose, caratterizzate da dimensioni troppo piccole e forma irregolare, nonché da connessioni tra loro.

Inoltre, il cono di crescita contiene neurofilamenti, mitocondri e microtubuli. Tali elementi hanno la capacità di muoversi a grande velocità.

Se confrontiamo le velocità di movimento degli elementi del cono e del cono stesso, va sottolineato che sono approssimativamente le stesse, e quindi si può concludere che durante il periodo di crescita non si osserva né assemblaggio né alcun disturbo dei microtubuli.

Probabilmente, il nuovo materiale della membrana inizia ad essere aggiunto già alla fine del processo. Il cono di crescita è un sito di endocitosi ed esocitosi piuttosto rapida, il che è confermato dal gran numero di vescicole che si trovano qui.

Di norma, la crescita dei dendriti e degli assoni è preceduta dal momento della migrazione delle cellule neuronali, cioè quando i neuroni immaturi si depositano effettivamente e iniziano ad esistere nello stesso posto permanente.

Un neurone è una cellula elettricamente eccitabile che elabora, immagazzina e trasmette informazioni utilizzando segnali elettrici e chimici. Una cellula contiene un nucleo, un corpo cellulare e processi (dendriti e assoni). Il cervello umano ha una media di 65 miliardi di neuroni. I neuroni si collegano tra loro, formando così le funzioni, la memoria, le divisioni e la coscienza del cervello umano.

Vedi questa immagine sopra? Con questa strana immagine, i neuroscienziati del MIT sono riusciti ad attivare i singoli neuroni cerebrali. Utilizzando il miglior modello disponibile della rete neurale visiva del cervello, gli scienziati hanno sviluppato un nuovo modo per controllare con precisione i singoli neuroni e le loro popolazioni al centro di questa rete. Attraverso test sugli animali, il team ha dimostrato che le informazioni raccolte dal modello computazionale hanno permesso loro di creare immagini che attivavano fortemente determinati neuroni cerebrali.

Fresco è delizioso da solo, produce un'uva meravigliosa e se la fai seccare ottieni un'uvetta dolce. Ma quali altri vantaggi porta questa bacca dalla ricca storia? I ricercatori della Mount Sinai School of Medicine hanno concluso che l'uva può essere utilizzata per creare un rimedio efficace e sicuro contro la depressione, che avrà effetti collaterali minimi sulla salute umana.