Məlumat

Bir çox ion kanallarının fəaliyyətindən atəş nümunələri necə yaranır?


Bryan Krause başqa bir suala cavabında deyir:

İon kanalları heç bir atəş nümunəsi nümayiş etdirmir: neyronlar mövcud olan bütün kanallardan asılı olan atəş nümunələri nümayiş etdirir [… ].

Mən bunu belə başa düşürəm: Müşahidə olunan və ölçülə bilən atəş nümunəsi1 neyron (tətik zonasında yaradılmış) kiçik "atış nümunələrinin xətti superpozisiyasıdır"2" trigger zonasındakı bütün (gərginlik qapalı) ion kanallarının, bu da öz növbəsində eyni tipli bütün ion kanalları üçün eyni olan açılış və bağlanma ehtimallarından asılıdır və bəzi Hodgkin-Huxley qanununa tabedir. Bunlar ehtimallar birbaşa atəş nümunəsinin formasına uyğundur1.

Hər bir natrium kanalının açılıb bağlandığı ritm ("atəş nümunəsi2") atəş nümunəsini təqlid etməli deyil1 dəqiq, yalnız təqribən və ehtimalla: açıq-yaxın-gənələr atəş nümunəsinin sünbüllərinin yaxınlığında baş verməlidir.1, lakin dəqiq deyil və hər sünbüldə deyil. Və bəzi tam kənar göstəricilərə icazə verilir. Qalanı superpozisiyadır.

Hər şeyi bu şəkildə görəndə, fərdi ion kanalları et "atəş nümunələri" nümayiş etdirir2", lakin bunlar atəş nümunəsindən tamamilə fərqli görünə bilər1 (tam olmasa da).

Bu cür mülahizə düzgündürmü?

Əgər belədirsə: Aşağıdakı nəticəyə gəlmək olarmı: Atış nümunəsinin vaxt şkalası1 trigger zonasındakı ion kanallarının sayından asılıdır? Bu, tək bir fəaliyyət potensialının yüksəlmə vaxtına baxarkən görünə bilər: Yalnız bir natrium kanalı varsa, yüksəlmə vaxtı daha böyük, çox olduqda isə daha kiçik olacaq. Bu korrelyasiya ciddi şəkildə xəttidirmi?


Tipik olaraq, ion kanallarının fəaliyyətinə atəş nümunələri deyilmir, çünki neyroelmdə fəaliyyət potensiallarının (sünbüllərin) ortaya çıxmasını nəzərdə tutduqda "atəş" adlandırırıq, lakin bəli: AP işə salındıqda kifayət qədər miqdarda natrium kanalları açıq olmalı idi. və buna görə də mən sizin fikrinizi düzgün hesab edirəm. Başqa sözlə dediyiniz odur ki, effektiv kanal keçiricilikləri fəaliyyət potensialı zamanı dəyişir.

Nəticəinizə görə: Təbii parametrlər rejimində 1-ci atəş nümunəsinin vaxt şkalası əsasən kanalların mütləq sayından deyil (xüsusilə bütün keçiriciliklər bərabər miqyasda olarsa) gərginlikli ion kanallarının vaxt sabitlərindən asılıdır. Hodgin-Huxley dünyasında gərginlik birləşdirilmiş və qeyri-xətti dinamik sistemlərə bənzəyir yox miqyası ciddi xətti iştirak maks. artırılması ilə. keçiriciliklər. Maksimum qarşılıqlı əlaqə. keçiricilik və effektiv keçiriciliyin özü ilə nəticələnən müvəqqəti qapı dinamikası gərginlikdən asılıdır və qeyri-xəttilər var. Beləliklə, kanalların sayı ilə AP-nin yüksəlmə vaxtı arasındakı korrelyasiyanın ciddi şəkildə xətti olması gözlənilmir.

Kiçik bir nümunə üçün rəqəmə baxın: Mən maksimumu artırmaqla məntiqimi sınadım. sadə HH modelinin natrium kanalı üçün keçiriciliyi və maks. gərginliyin dikliyi (pik gərginliklə normallaşdırılır).

Ümid edirəm ki, bu, sualınıza cavab verir.


İcazə verin, Cojo və Brayanın şərhlərindən öyrəndiyimə inandığımı vizuallaşdırma şəklində ümumiləşdirim: Qırmızı əyri bir ion kanalının açıq və qapalı vəziyyətini idarə edən ehtimaldır (zamanın funksiyası olaraq - iki sünbül görürük) Nöqtəli Aşağıdakı nümunələr açıq olma ehtimalına görə açıq (qara) və qapalı (ağ) vəziyyətlər arasında çırpınan 50 ion kanalını göstərir. İncə qara əyri birinci ion kanalının açıq olmasının ləkələnmiş orta göstəricisidir (iki cüzi yüksəliş göstərir, yəni daha qaba vaxt şkalasında bir növ "atəş nümunəsi" - lütfən, məni bağışla, Brayan). Yağlı qara əyri bütün ion kanallarının ləkələnmiş ortalamasıdır. Mavi əyri, ölçülən keçiriciliyə, cərəyana və/yaxud gərginliyə mütənasib olan müəyyən bir zamanda açıq olan kanalların sayıdır. İon kanallarının sayının (25) az olması səbəbindən səs-küy böyükdür.

200 ion kanalı və 200 nümunənin üst-üstə düşməsi üçün bu belə görünür:

Burada daha yüksək keyfiyyətli şəkil tapın.

Burada və burada iki əlaqəli bioloji ssenariyə baxın.


Andrea Meredith: BK kanalının dinamikası sirkadiyalı ritmikliyin əsasında necə durur?

Andrea Meredith (Dosent, Merilend Universiteti), BK kalium kanalının sirkadiyalı ritmləri tənzimləməyə necə kömək etdiyini öyrənir. BK kanalları hüceyrədaxili kalsiumun bağlanma yerləri olan gərginliklə aktivləşdirilmiş kalium kanallarıdır və hüceyrədə kalsiumun ayrıldığı yerlərin yaxınlığında yerləşir. Kalsiumun bağlanmasının kanalın gərginlik həssaslığını fizioloji diapazona köçürdüyü düşünülür. Bu kanalların aktivləşdirilməsi membranı 10-20 mV ilə hiperpolyarlaşdıra bilər.

BK kanalları geniş şəkildə ifadə edilir, lakin ifadə olunduqları toxuma əsasında geniş şəkildə modullaşdırılır. Alternativ birləşmə, modulyasiya alt bölmələri və kalsium mənbələrinə nisbətən lokalizasiyadakı dəyişikliklər müxtəlif toxumalarda kanal xüsusiyyətlərinin dəyişməsinə kömək edir. Bu müxtəliflik membranların xüsusiyyətlərinə və hüceyrələrin fiziologiyasına dərin təsir göstərir.

Bir çox fenotiplər bu kanalın pozulmasından yaranır – insan tədqiqatları ailəvi epilepsiya, diskineziya, autizm və bir sıra digər nevroloji olmayan simptomları göstərir, çünki BK kanalları bütün bədəndə ifadə olunur. BK disfunksiyasının heyvan modelləri digər simptomlar arasında sirkadiyalı ritmlər, hərəkət, eşitmə, öyrənmə və yaddaş və nöbetlərlə bağlı problemlər nümayiş etdirir.

Dr. Meredith-in laboratoriyası sirkadiyalı sistemə diqqət yetirir. Supraxiazmatik nüvədə (SCN) ritmik olaraq atəş açan və müvafiq davranışlar yaratmaq üçün gündüz və ya gecəyə cavab olaraq fəaliyyətini dəyişən 20.000 neyron var. İşıqla aktivləşdirilən transkripsiya-tərcümə əks əlaqəsi hər gün daxili saatı sıfırlayır, lakin bu mexanizm işığın olmadığı şəraitdə düzgün işləməyə davam edə bilər.

SCN-nin dilim mədəniyyətləri öz ritmik atəşlərini və gecə-gündüz fəaliyyət nümunələrini davam etdirirlər. Bu atəş sürətini hansı ion kanalları idarə edir? Bir çox kanal gecə ilə müqayisədə gündüz ifadə səviyyələrini və ya davranışını dəyişir. BK kanallarında gecə daha böyük, gündüz isə daha kiçik cərəyanlar olur. Siçanlar qaranlıqda yetişdirilsə belə, gecə saatlarında BK-nın ifadə səviyyələri artır, lakin sirkadiyalı saatın altında yatan klassik saat genləri mutasiyaya məruz qaldıqda dəyişir. Bu, BK-nı sirkadiyalı əks əlaqə dövrəsinin yeganə məlum ion kanalı hədəflərindən birinə çevirir.

BK kanalının nokautları gün ərzində normal atəş, gecə isə hiperaktiv atəş nümayiş etdirir. Bu heyvanlar gecələr deyil, hər zaman aktivdirlər. BK funksiyasını qazanan mutantlar gün ərzində cərəyanı artıraraq gecə səviyyələrinə bərabərdir. Bu, gün ərzində atəşi azaldır və dövrəni əsasən aritmik edir, lakin nokautdan daha az davranış nəticələrinə malikdir.

BK-nın tənzimlənməsi bu fenotipləri necə izah edir? Laboratoriya diqqəti beta-2 modulator alt bölməsinə yönəltdi, çünki bu, SCN-də ifadə olunan kanalı təsirsiz hala gətirə bilən yeganə alt bölmədir. Beta-2 itkisi kanalın inaktivasiyasını və BK cərəyanında gecə-gündüz fərqini aradan qaldırır. Beta-2 səviyyələri sirkadiyalı dövr ərzində dəyişmir, lakin alfa alt vahidinin ifadəsi həmişə dəyişdiyi üçün BK və beta-2 arasındakı nisbət də dəyişir.

Beta-2 alt bölməsi BK kanalının xassələrini qeyri-aktivləşdirməklə yanaşı, gərginlikdən asılılığı sola sürüşdürmək və yavaşlatıcı kinetika da daxil olmaqla başqa yollarla dəyişə bilər. Bununla belə, beta-2 nokautlarının yalnız beta-2 alt bölməsinin N-terminusu, yalnız inaktivasiyaya vasitəçilik etdiyi məlum olan 45 amin turşusu peptidi ilə xilas edilməsi atəşdə gündüz-gecə fərqlərini bərpa etmək üçün kifayət idi.

Bu təsirsizləşdirici peptidin gecə tətbiqi gecə BK cari səviyyələrini gündüz səviyyələrinə dəyişdi və sinir həyəcanlılığı gündüz səviyyələrinə yüksəldi. Mexanizm üzərində daha çox iş göstərdi ki, atəş sürətindəki bu dəyişikliklər SCN neyronlarında əsas membran potensialının dəyişməsi ilə əlaqədardır.

Laboratoriya hazırda SCN BK cərəyanlarında gecə-gündüz fərqlərinin yaşlanma ilə necə azaldığı və bu fərqin necə bərpa oluna biləcəyi ilə bağlı son işlərlə maraqlanır. Onun laboratoriyası həmçinin bir çox digər toxumalarda BK kanallarının sirkadiyalı dinamikasını öyrənir.

Əlavə Oxu:

Farajnia, Sahar, Johanna H Meijer və Stephan Mişel. 2015. “Məməlilərin sirkadiyalı saat neyronlarında böyük keçiricilikli kalsiumla aktivləşdirilmiş kalium kanallarında yaşa bağlı dəyişikliklər.” Yaşlanmanın Neyrobiologiyası 36 (6).

Montgomery, Jenna R və Andrea L Meredith. 2012. "Vivoda BK cərəyanlarının genetik aktivləşdirilməsi neyronların həyəcanlılığına iki istiqamətli təsirlər yaradır." Amerika Birləşmiş Ştatları Milli Elmlər Akademiyasının Materialları 109 (46)

Montgomery, Jenna R, Joshua P Whitt, Breanne N Wright, Michael H Lai və Andrea L Meredith. 2013. “BK K(+) Kanalının Yanlış İfadəsi Supraxiazmatik Nüvə Dövrəsinin Ritmikliyini pozur və Saatla Nəzarət Edilən Davranışı Dəyişdirir.” Amerika Fiziologiya Jurnalı. Hüceyrə Fiziologiyası 304 (4)


Mücərrəd

Əsasən son 5 ildə müxtəlif tədqiqatlar göstərdi ki, elektrik həyəcanını tənzimləməkdə yaxşı təsvir edilmiş funksiyasına əlavə olaraq, gərginlikdən asılı ion kanalları hüceyrədaxili siqnal yollarında iştirak edir. Kanallar birbaşa hüceyrə siqnal yolları ilə əlaqəli fermentləri aktivləşdirə, hüceyrə yapışma molekulları və ya sitoskeletonun komponentləri kimi xidmət edə bilər və onların fəaliyyəti xüsusi genlərin ifadəsini dəyişdirə bilər. Burada mən bu tapıntıları nəzərdən keçirirəm və bu cür siqnalın molekulyar mexanizmlərinin nə dərəcədə başa düşüldüyünü müzakirə edirəm.


Mücərrəd

Elektriklə həyəcanlanan hüceyrələr, məsələn, neyronlar, hər hansı bir xüsusi hüceyrədə mövcud olan ion kanallarının kompleks toplanmasının nəticəsi olan atəş nümunələrində böyük müxtəliflik nümayiş etdirirlər. Çoxsaylı üsullar hüceyrə elektrik siqnallarını ölçməyə qadir olsa da, hansı növ ion kanallarının bu siqnallara səbəb olduğunu başa düşmək əhəmiyyətli bir problem olaraq qalır. Burada gərginliyə bağlı kanalların fəaliyyətini bildirmək üçün yeni mexanizmdən istifadə edən ekzogen zondları təsvir edirik. Kv2 tipli gərginlikli kalium kanallarına selektiv şəkildə bağlanan inhibitor sistin düyün peptidi olan tarantula toksini guangxitoxin-1E (GxTX) kimyoselektiv törəmələrini sintez etdik. Biz tapırıq ki, Kv2.1 kanallarının gərginlik aktivləşdirilməsi GxTX dissosiasiyasını tetikler və beləliklə, GxTX bağlanması dinamik olaraq Kv2 aktivləşdirilməsini qeyd edir. Toksinin qatlanmasını və ya aktivliyini pozmadan tiol və ya alkin tərkibli amin turşuları ilə əvəz edilə bilən GxTX qalıqlarını müəyyən edirik və bu sahələrə flüoroforları və ya yaxınlıq zondlarını kimyaselektiv bağlayırıq. GxTX-fluorofor konjugatlarının canlı hüceyrələrdə Kv2.1 klasterləri ilə birləşdiyini və gərginlik stimulları ilə aktivləşdirilmiş kanallardan sərbəst buraxıldığını görürük. Kv2.1 aktivləşdirilməsi hüceyrə cərəyanlarına əhəmiyyətsiz təsir göstərən zond konsentrasiyası ilə aşkar edilə bilər. Dendrimerik muncuqlara konyuqasiya edilmiş Chemoselective GxTX mutantları eyni şəkildə Kv2.1 ifadə edən canlı hüceyrələri birləşdirir və muncuqlar kanalın aktivləşdirilməsi ilə buraxılır. Konformasiya dəyişikliyinin bu optik sensorları ion kanallarının elektrik siqnalına nə vaxt kömək etdiyini göstərə bilən prototip problardır.


İçindəkilər

Riçard Katon dovşanların və meymunların beyin yarımkürələrində elektrik aktivliyini kəşf etdi və tapıntılarını 1875-ci ildə təqdim etdi. [2] Adolf Bek 1890-cı ildə dovşan və itlərin beyninin kortəbii elektrik fəaliyyətinə dair müşahidələrini nəşr etdi. elektrodlar birbaşa beynin səthinə yerləşdirilir. [3] Hans Bergerdən əvvəl Vladimir Vladimiroviç Pravdiç-Neminski ilk heyvan EEG-sini və itin oyandırılmış potensialını nəşr etdi. [4]

Sinir salınımları mərkəzi sinir sistemində bütün səviyyələrdə müşahidə olunur və bunlara sünbül qatarları, yerli sahə potensialları və elektroensefaloqrafiya (EEQ) ilə ölçülə bilən geniş miqyaslı salınımlar daxildir. Ümumiyyətlə, rəqslər onların tezliyi, amplitudası və fazası ilə xarakterizə edilə bilər. Bu siqnal xassələri zaman-tezlik analizindən istifadə edərək sinir qeydlərindən çıxarıla bilər. Geniş miqyaslı salınımlarda amplituda dəyişiklikləri sinir ansamblında sinxronizasiyanın dəyişməsi nəticəsində hesab edilir ki, bu da yerli sinxronizasiya adlanır. Yerli sinxronizasiya ilə yanaşı, uzaq sinir strukturlarının (tək neyronlar və ya sinir ansambllarının) salınım fəaliyyəti sinxronizasiya edə bilər. Sinir salınımları və sinxronizasiya məlumat ötürülməsi, qavrayış, motor nəzarəti və yaddaş kimi bir çox idrak funksiyaları ilə əlaqələndirilmişdir. [5] [6] [7]

Sinir salınımları böyük neyron qrupları tərəfindən yaradılan sinir fəaliyyətində ən geniş şəkildə öyrənilmişdir. Böyük miqyaslı fəaliyyət EEG kimi üsullarla ölçülə bilər. Ümumiyyətlə, EEG siqnalları çəhrayı səs-küyə bənzər geniş spektral məzmuna malikdir, həm də xüsusi tezlik diapazonlarında salınım fəaliyyətini aşkar edir. İlk aşkar edilmiş və ən yaxşı tanınan tezlik diapazonu rahat oyaqlıq zamanı oksipital lobdan aşkar edilə bilən və gözlər bağlandıqda artan alfa aktivliyidir (8-12 Hz) [8]. [9] Digər tezlik diapazonları bunlardır: delta (1–4 Hz), teta (4–8 Hz), beta (13–30 Hz), aşağı qamma (30–70 Hz) və yüksək qamma (70–150 Hz) qamma fəaliyyəti kimi daha sürətli ritmlərin koqnitiv emal ilə əlaqələndirildiyi tezlik zolaqları. Həqiqətən, EEG siqnalları yuxu zamanı kəskin şəkildə dəyişir və daha sürətli tezliklərdən alfa dalğaları kimi getdikcə daha yavaş olan tezliklərə keçidi göstərir. Əslində, müxtəlif yuxu mərhələləri ümumiyyətlə spektral məzmunu ilə xarakterizə olunur. [10] Nəticədə, sinir salınımları şüur ​​və şüur ​​kimi koqnitiv vəziyyətlərlə əlaqələndirilmişdir. [11] [12]

İnsan beyni fəaliyyətindəki sinir salınımları əsasən EEG qeydlərindən istifadə edilməklə araşdırılsa da, tək vahidli qeydlər kimi daha invaziv qeyd üsullarından istifadə etməklə də müşahidə edilir. Neyronlar fəaliyyət potensiallarının və ya sünbüllərin ritmik nümunələri yarada bilər. Bəzi neyron növləri sözdə müəyyən tezliklərdə atəşə meyllidirlər rezonatorlar. [13] Bursting ritmik spikinqin başqa bir formasıdır. Spiking nümunələri beyində məlumat kodlaması üçün əsas hesab olunur. Salınım aktivliyi həm də eşikaltı membran potensialı salınımları şəklində müşahidə oluna bilər (yəni fəaliyyət potensialı olmadıqda). [14] Əgər çoxsaylı neyronlar sinxron şəkildə sıçrayırsa, onlar yerli sahə potensiallarında salınımlara səbəb ola bilər. Kəmiyyət modelləri qeydə alınmış məlumatlarda sinir salınımlarının gücünü qiymətləndirə bilər. [15]

Sinir salınımları adətən riyazi çərçivədən öyrənilir və beyin funksiyasını təsvir edərkən sinir fəaliyyətinin dinamik xarakterinə güclü diqqət yetirən koqnitiv elmlərdə tədqiqat sahəsi olan "neyrodinamika" sahəsinə aiddir. [16] O, beyni dinamik bir sistem hesab edir və sinir fəaliyyətinin zamanla necə inkişaf etdiyini təsvir etmək üçün diferensial tənliklərdən istifadə edir. Xüsusilə, beyin fəaliyyətinin dinamik nümunələrini qavrayış və yaddaş kimi idrak funksiyaları ilə əlaqələndirmək məqsədi daşıyır. Çox mücərrəd formada sinir salınımları analitik olaraq təhlil edilə bilər. Daha fizioloji cəhətdən real şəraitdə tədqiq edildikdə, salınım fəaliyyəti ümumiyyətlə hesablama modelinin kompüter simulyasiyalarından istifadə etməklə öyrənilir.

Sinir salınımlarının funksiyaları genişdir və müxtəlif salınım fəaliyyəti növləri üçün dəyişir. Nümunələr ürək döyüntüsü kimi ritmik fəaliyyətin yaranması və obyektin forması və rəngi kimi qavrayışda sensor xüsusiyyətlərin sinir bağlanmasıdır. Sinir salınımları, həmçinin Parkinson xəstəliyi olan xəstələrdə epilepsiya və ya tremorda qıcolma fəaliyyəti zamanı həddindən artıq sinxronizasiya kimi bir çox nevroloji pozğunluqlarda mühüm rol oynayır. Salınım fəaliyyəti beyin-kompüter interfeysi kimi xarici cihazları idarə etmək üçün də istifadə edilə bilər. [17]

Təşkilatların bütün səviyyələrində mərkəzi sinir sistemi boyunca salınım fəaliyyəti müşahidə olunur. Üç fərqli səviyyə geniş şəkildə tanınıb: mikro-miqyaslı (tək bir neyronun fəaliyyəti), mezomiqyaslı (yerli neyron qrupunun fəaliyyəti) və makro-miqyaslı (müxtəlif beyin bölgələrinin fəaliyyəti). [18]

Mikroskopik redaktə

Neyronlar elektrik membran potensialının dəyişməsi nəticəsində yaranan fəaliyyət potensialı yaradır. Neyronlar, sünbül qatarları adlanan ardıcıllıqla çoxlu fəaliyyət potensialı yarada bilər. Bu sünbül qatarları beyində neyron kodlaşdırma və məlumat ötürülməsi üçün əsasdır. Sünbüllü qatarlar ritmik sıçrayış və partlama kimi hər cür naxış yarada bilər və tez-tez salınım fəaliyyəti göstərir. [19] Tək neyronlarda salınım aktivliyi membran potensialında alt eşik dalğalanmalarında da müşahidə oluna bilər. Membran potensialındakı bu ritmik dəyişikliklər kritik həddə çatmır və buna görə də fəaliyyət potensialı ilə nəticələnmir. Onlar sinxron girişlərdən və ya neyronların daxili xüsusiyyətlərindən postsinaptik potensialdan yarana bilər.

Neyron sıçrayışı onların fəaliyyət nümunələrinə görə təsnif edilə bilər. Neyronların həyəcanlılığını I və II siniflərə bölmək olar. I sinif neyronları giriş gücündən asılı olaraq ixtiyari aşağı tezlikli fəaliyyət potensialları yarada bilər, halbuki II sinif neyronları giriş gücündə dəyişikliklərə nisbətən həssas olmayan müəyyən tezlik diapazonunda fəaliyyət potensialları yaradır. [13] II sinif neyronları da membran potensialında alt eşik salınımlarını göstərməyə daha çox meyllidirlər.

Mezoskopik redaktə

Bir qrup neyron da salınım fəaliyyəti yarada bilər. Sinaptik qarşılıqlı təsirlər vasitəsilə müxtəlif neyronların atəş nümunələri sinxronlaşdırıla bilər və onların fəaliyyət potensialının yaratdığı elektrik potensialında ritmik dəyişikliklər əlavə olunacaq (konstruktiv müdaxilə). Yəni, sinxron atəş nümunələri yerli sahə potensialının böyük amplituda salınımlarına səbəb olan digər kortikal sahələrə sinxronlaşdırılmış girişlə nəticələnir. Bu geniş miqyaslı salınımlar elektroensefaloqrafiya (EEG) və maqnitoensefaloqrafiya (MEG) istifadə edərək baş dərisindən kənarda da ölçülə bilər. Tək neyronların yaratdığı elektrik potensialları baş dərisindən kənarda götürülə bilməyəcək qədər kiçikdir və EEG və ya MEG fəaliyyəti həmişə oxşar fəza oriyentasiyasına malik minlərlə və ya milyonlarla neyronların sinxron fəaliyyətinin cəmini əks etdirir. [20] Sinir ansamblındakı neyronlar nadir hallarda hamısı eyni anda, yəni tam sinxronlaşır.Bunun əvəzinə, atəş ehtimalı ritmik olaraq modulyasiya edilir ki, neyronların eyni vaxtda atəş açma ehtimalı daha yüksək olsun, bu da onların orta fəaliyyətində salınımlara səbəb olur (səhifənin yuxarısındakı şəklə baxın). Beləliklə, geniş miqyaslı salınımların tezliyinin ayrı-ayrı neyronların atəş nümunəsinə uyğun olması lazım deyil. İzolyasiya edilmiş kortikal neyronlar müəyyən şərtlər altında müntəzəm olaraq atəş açır, lakin bütöv beyində kortikal hüceyrələr yüksək dalğalanan sinaptik girişlər tərəfindən bombalanır və adətən təsadüfi görünür. Bununla belə, böyük bir qrup neyronların ehtimalı ümumi tezlikdə ritmik modulyasiya edilirsə, onlar orta sahədə salınımlar yaradacaqlar (həmçinin səhifənin yuxarısındakı şəklə baxın). [19] Sinir ansamblları həyəcanverici və inhibitor neyronlar arasında lokal qarşılıqlı təsirlər vasitəsilə endogen şəkildə salınım fəaliyyəti yarada bilər. Xüsusilə, inhibitor interneyronlar effektiv həyəcan üçün dar bir pəncərə yaradaraq və həyəcanverici neyronların atəş sürətini ritmik olaraq modulyasiya etməklə sinir ansamblının sinxronizasiyasında mühüm rol oynayır. [21]

Makroskopik redaktə

Sinir salınımı, struktur konnektor vasitəsilə birləşən müxtəlif beyin sahələri arasındakı qarşılıqlı təsirlərdən də yarana bilər. Vaxt gecikmələri burada mühüm rol oynayır. Bütün beyin sahələri iki istiqamətli birləşdiyi üçün beyin sahələri arasındakı bu əlaqələr geribildirim döngələri yaradır. Müsbət rəy döngələri, tezlikin gecikmə vaxtı ilə tərs əlaqəli olduğu yerdə salınım fəaliyyətinə səbəb olur. Belə bir əks əlaqə dövrəsinə misal olaraq talamus və korteks arasındakı əlaqələri göstərmək olar - talamokortikal şüalanma. Bu talamokortikal şəbəkə təkrarlanan talamokortikal rezonans kimi tanınan salınım fəaliyyəti yarada bilir. [22] Talamokortikal şəbəkə alfa aktivliyinin yaranmasında mühüm rol oynayır. [23] [24] Beyin sahələri arasında real anatomik əlaqə və yayılma ləngimələri olan bütöv beyin şəbəkəsi modelində beta tezlik diapazonunda salınımlar qamma-zolağında salınan beyin sahələrinin alt çoxluqlarının qismən sinxronizasiyası nəticəsində yaranır. mezoskopik səviyyə). [25]

Neyron xüsusiyyətləri Redaktə edin

Alimlər membran potensialı salınımlarının yaranmasında mühüm rol oynayan bəzi daxili neyron xüsusiyyətləri müəyyən etdilər. Xüsusilə, gərginliyə bağlı ion kanalları fəaliyyət potensialının yaranmasında çox vacibdir. Bu ion kanallarının dinamikası fəaliyyət potensiallarının bir sıra diferensial tənliklər vasitəsilə necə başlandığını və yayıldığını təsvir edən yaxşı qurulmuş Hodgkin-Huxley modelində tutulmuşdur. Bifurkasiya analizindən istifadə edərək, bu neyron modellərinin müxtəlif salınım növləri müəyyən edilə bilər ki, bu da neyron reaksiyalarının növlərini təsnif etməyə imkan verir. Hodgkin-Huxley modelində müəyyən edilmiş neyronların sıçrayışının salınım dinamikası empirik tapıntılarla yaxından razılaşır. Periyodik sıçrayışlara əlavə olaraq, eşikaltı membran potensialı salınımları, yəni fəaliyyət potensialı ilə nəticələnməyən rezonans davranışı da qonşu neyronların sinxron fəaliyyətini asanlaşdırmaqla salınım fəaliyyətinə kömək edə bilər. [26] [27] Mərkəzi model generatorlarındakı kardiostimulyator neyronları kimi, kortikal hüceyrələrin alt növləri üstünlük verilən tezliklərdə ritmik olaraq sünbüllərin partlamasını (qısa sünbül qrupları) yandırır. Partlayan neyronlar sinxron şəbəkə salınımları üçün kardiostimulyator kimi xidmət etmək potensialına malikdir və sünbül partlamaları neyron rezonansının əsasını təşkil edə və ya gücləndirə bilər. [19]

Şəbəkə xüsusiyyətləri Redaktə edin

Neyronların daxili xüsusiyyətləri ilə yanaşı, bioloji neyron şəbəkəsi xüsusiyyətləri də salınım fəaliyyətinin vacib mənbəyidir. Neyronlar sinapslar vasitəsilə bir-biri ilə əlaqə qurur və postsinaptik neyronlarda sünbül qatarlarının vaxtına təsir edir. Birləşmənin gücü, vaxt gecikməsi və birləşmənin həyəcanverici və ya maneə törədici olması kimi əlaqənin xüsusiyyətlərindən asılı olaraq, qarşılıqlı təsir göstərən neyronların sünbül qatları sinxronlaşa bilər. [28] Neyronlar yerli olaraq birləşərək, sinir ansamblları adlanan kiçik qruplar əmələ gətirir. Bəzi şəbəkə strukturları xüsusi tezliklərdə salınım fəaliyyətini təşviq edir. Məsələn, bir-birinə bağlı iki populyasiya tərəfindən yaradılan neyron fəaliyyəti inhibitorhəyəcanverici hüceyrələr Wilson-Cowan modeli ilə təsvir edilən spontan salınımları göstərə bilər.

Bir qrup neyron sinxronlaşdırılmış salınım fəaliyyəti ilə məşğul olarsa, sinir ansamblı riyazi olaraq tək bir osilator kimi təqdim edilə bilər. [18] Müxtəlif neyron ansambllar uzun məsafəli əlaqələr vasitəsilə birləşir və növbəti məkan miqyasında zəif birləşmiş osilatorlar şəbəkəsini təşkil edir. Zəif birləşdirilmiş osilatorlar salınım fəaliyyəti də daxil olmaqla bir sıra dinamika yarada bilər. [29] Talamus və korteks kimi müxtəlif beyin strukturları arasında uzun məsafəli əlaqələr (bax talamokortikal salınım) aksonların sonlu keçirmə sürətinə görə vaxt gecikmələrini əhatə edir. Əksər əlaqələr qarşılıqlı olduğundan, onlar salınım fəaliyyətini dəstəkləyən geri qaytarma dövrələri əmələ gətirirlər. Çoxsaylı kortikal bölgələrdən qeydə alınan salınımlar geniş miqyaslı beyin şəbəkələri yaratmaq üçün sinxronlaşdırıla bilər, onların dinamikası və funksional əlaqəsi spektral analiz və Qrancer səbəb-nəticə ölçüləri vasitəsilə öyrənilə bilər. [30] Böyük miqyaslı beyin fəaliyyətinin ardıcıl fəaliyyəti paylanmış məlumatların inteqrasiyası üçün tələb olunan beyin sahələri arasında dinamik əlaqələr yarada bilər. [12]

Neyromodulyasiya redaktəsi

Şəbəkə meydana gətirən neyronlar arasında sürətli birbaşa sinaptik qarşılıqlı əlaqəyə əlavə olaraq, salınım fəaliyyəti daha yavaş zaman miqyasında neyromodulyatorlar tərəfindən tənzimlənir. Yəni müəyyən nörotransmitterlərin konsentrasiya səviyyələrinin salınım fəaliyyətinin miqdarını tənzimlədiyi məlumdur. Məsələn, GABA konsentrasiyasının induksiya edilmiş stimullarda salınma tezliyi ilə müsbət əlaqədə olduğu göstərilmişdir. [31] Beyin sapındakı bir sıra nüvələr, norepinefrin, asetilkolin və serotonin kimi nörotransmitterlərin konsentrasiya səviyyələrinə təsir edən beyin boyunca diffuz proqnozlara malikdir. Bu neyrotransmitter sistemləri fizioloji vəziyyətə, məsələn, oyanma və ya oyanmaya təsir göstərir və alfa aktivliyi kimi müxtəlif beyin dalğalarının amplitudasına açıq şəkildə təsir göstərir. [32]

Riyaziyyatdan istifadə edərək rəqsləri tez-tez təsvir etmək və təhlil etmək olar. Riyaziyyatçılar ritmikliyi yaradan bir neçə dinamik mexanizm müəyyən etmişlər. Ən vacibləri arasında harmonik (xətti) osilatorlar, limit dövrü osilatorları və gecikmiş əks əlaqə osilatorları var. [33] Harmonik rəqslər təbiətdə çox tez-tez baş verir - buna misal olaraq səs dalğaları, sarkacın hərəkəti və hər cür titrəmələr göstərilə bilər. Onlar ümumiyyətlə fiziki sistem minimum enerji vəziyyətindən kiçik dərəcədə pozulduqda yaranır və riyazi olaraq yaxşı başa düşülür. Səs-küylə idarə olunan harmonik osilatorlar oyanan EEG-də alfa ritmini, eləcə də yuxu EEG-də yavaş dalğaları və milləri real şəkildə simulyasiya edir. Uğurlu EEG analiz alqoritmləri belə modellərə əsaslanırdı. Bir neçə digər EEG komponentləri limit-dövlət və ya gecikmiş geribildirim rəqsləri ilə daha yaxşı təsvir edilir. Limit dövrü rəqsləri tarazlıqdan böyük sapmalar göstərən fiziki sistemlərdən yaranır, halbuki gecikmiş əks əks rəqslər sistemin komponentləri əhəmiyyətli vaxt gecikmələrindən sonra bir-birinə təsir etdikdə yaranır. Limit dövrü rəqsləri mürəkkəb ola bilər, lakin onları təhlil etmək üçün güclü riyazi alətlər var. Xətti osilatorlar və limit dövrəli osilatorlar girişdəki dalğalanmalara necə reaksiya vermələri baxımından keyfiyyətcə fərqlənirlər. Xətti osilatorda tezlik az və ya çox sabitdir, lakin amplituda çox dəyişə bilər. Limit dövrəli osilatorda amplituda daha çox və ya daha az sabit olmağa meyllidir, lakin tezlik çox dəyişə bilər. Ürək döyüntüsü, hər bir fərdi döyüntü təxminən eyni miqdarda qan pompalamağa davam edərkən, döyüntülərin tezliyinin geniş şəkildə dəyişməsi ilə məhdud dövrlü salınımın nümunəsidir.

Hesablama modelləri beyin fəaliyyətində müşahidə olunan mürəkkəb salınım dinamikasını təsvir etmək üçün müxtəlif abstraksiyaları qəbul edir. Sahədə bir çox modellər istifadə olunur, hər biri fərqli bir abstraksiya səviyyəsində müəyyən edilir və sinir sistemlərinin müxtəlif aspektlərini modelləşdirməyə çalışır. Onlar fərdi neyronların qısamüddətli davranış modellərindən tutmuş neyron dövrə dinamikasının fərdi neyronlar arasındakı qarşılıqlı təsirlərdən necə yarandığına dair modellərdən tutmuş, tam alt sistemləri təmsil edən mücərrəd sinir modullarından davranışın necə yarana biləcəyi modellərinə qədər dəyişir.

Tək neyron modeli Redaktə edin

Bioloji neyron modeli sinir hüceyrələrinin və ya neyronların bioloji proseslərini dəqiq təsvir etmək və proqnozlaşdırmaq üçün nəzərdə tutulmuş xüsusiyyətlərinin riyazi təsviridir. Neyronların ən uğurlu və geniş istifadə olunan modeli olan Hodgkin-Huxley modeli nəhəng kalamar aksonunun məlumatlarına əsaslanır. Bu, bir neyronun elektrik xüsusiyyətlərini, xüsusən də fəaliyyət potensiallarının yaranması və yayılmasını təxmin edən qeyri-xətti adi diferensial tənliklər toplusudur. Model çox dəqiq və təfərrüatlıdır və Hodgkin və Huxley bu işə görə 1963-cü ildə fiziologiya və ya tibb üzrə Nobel mükafatını aldılar.

Hodgkin-Huxley modelinin riyaziyyatı olduqca mürəkkəbdir və inteqrasiya və atəşin genişləndirilməsi kimi bir sıra sadələşdirmələr təklif edilmişdir, məsələn, FitzHugh-Nagumo modeli, Hindmarsh-Rose modeli və ya kondansatör keçid modeli [34]. model. Bu cür modellər yalnız ritmik sıçrayış və partlama kimi əsas neyron dinamikasını tutur, lakin hesablama baxımından daha səmərəlidir. Bu, neyron şəbəkəsini təşkil edən çoxlu sayda bir-birinə bağlı neyronların simulyasiyasına imkan verir.

Çılpaq model Edit

Neyron şəbəkə modeli fiziki olaraq bir-biri ilə əlaqəli neyronların populyasiyasını və ya girişləri və ya siqnal hədəfləri tanınan dövrəni təyin edən bir-birindən fərqli neyronlar qrupunu təsvir edir. Bu modellər sinir dövrəsinin dinamikasının fərdi neyronlar arasındakı qarşılıqlı təsirlərdən necə yarandığını təsvir etmək məqsədi daşıyır. Neyronlar arasında lokal qarşılıqlı təsirlər sıçrayış fəaliyyətinin sinxronizasiyası ilə nəticələnə və salınım fəaliyyətinin əsasını təşkil edə bilər. Xüsusilə, qarşılıqlı təsir göstərən piramidal hüceyrələr və inhibitor interneurons modellərinin qamma aktivliyi kimi beyin ritmlərini yaratdığı göstərilmişdir. [35] Eynilə, neyron cavab uğursuzluqları üçün fenomenoloji model ilə neyron şəbəkələrinin simulyasiyalarının kortəbii genişzolaqlı neyron salınımlarını proqnozlaşdıra biləcəyi göstərildi. [36]

Sinir kütlə modeli Redaktə edin

Sinir sahəsi modelləri sinir salınımlarının öyrənilməsində digər mühüm vasitədir və məkan və zamanda orta atəş sürəti kimi dəyişənlərin təkamülünü təsvir edən riyazi çərçivədir. Çoxlu sayda neyronların fəaliyyətinin modelləşdirilməsində əsas fikir neyronların sıxlığını kontinuum həddinə çatdırmaqdır ki, nəticədə məkan olaraq davamlı neyron şəbəkələri yaranır. Fərdi neyronları modelləşdirmək əvəzinə, bu yanaşma orta xassələri və qarşılıqlı təsirləri ilə bir qrup neyronlara yaxınlaşır. O, orta sahə yanaşmasına, iri miqyaslı sistemlərlə məşğul olan statistik fizikanın sahəsinə əsaslanır. Bu prinsiplərə əsaslanan modellər sinir salınımlarının və EEG ritmlərinin riyazi təsvirlərini təmin etmək üçün istifadə edilmişdir. Onlar, məsələn, vizual hallüsinasiyaları araşdırmaq üçün istifadə edilmişdir. [38]

Kuramoto modeli Edit

Birləşdirilmiş fazalı osilatorların Kuramoto modeli [39] sinir salınımlarını və sinxronizasiyanı araşdırmaq üçün istifadə edilən ən mücərrəd və fundamental modellərdən biridir. Yerli sistemin fəaliyyətini (məsələn, tək neyron və ya neyron ansamblı) yalnız dairəvi fazası ilə tutur və buna görə də salınımların amplitudasına məhəl qoymur (amplituda sabitdir). [40] Bu osilatorlar arasında qarşılıqlı əlaqə sadə cəbri forma (məsələn, sinus funksiyası) ilə təqdim olunur və qlobal miqyasda ümumi dinamik model yaradır. Kuramoto modeli salınan beyin fəaliyyətini öyrənmək üçün geniş istifadə olunur və məsələn, yerli kortikal əlaqənin topoloji xüsusiyyətlərini özündə birləşdirərək onun neyrobioloji inandırıcılığını artıran bir neçə genişləndirmə təklif edilmişdir. [41] Xüsusilə, qarşılıqlı təsir göstərən bir qrup neyronun fəaliyyətinin necə sinxronlaşa biləcəyini və geniş miqyaslı salınımlar yarada biləcəyini təsvir edir. Realist uzunmüddətli kortikal əlaqə və gecikmiş qarşılıqlı əlaqə ilə Kuramoto modelindən istifadə edilən simulyasiyalar, fMRI istifadə edərək ölçülə bilən istirahət vəziyyətində BOLD funksional xəritələrini təkrarlayan yavaş naxışlı dalğalanmaların ortaya çıxmasını göstərir. [42]

Həm tək neyronlar, həm də neyron qrupları kortəbii olaraq salınım fəaliyyəti yarada bilər. Bundan əlavə, onlar qavrayış girişinə və ya motor çıxışına salınan reaksiyalar göstərə bilər. Bəzi neyron növləri hər hansı bir sinaptik giriş olmadıqda ritmik şəkildə atəş açacaq. Eynilə, beyin miqyasında fəaliyyət salınım fəaliyyətini ortaya qoyur, subyektlər heç bir fəaliyyətlə məşğul olmurlar, buna istirahət vəziyyəti fəaliyyəti deyilir. Bu davam edən ritmlər qavrayış girişinə və ya motor çıxışına cavab olaraq müxtəlif yollarla dəyişə bilər. Salınım fəaliyyəti tezlik və amplituda artım və ya azalma ilə cavab verə bilər və ya faza sıfırlanması adlanan müvəqqəti fasilə göstərə bilər. Bundan əlavə, xarici fəaliyyət davam edən fəaliyyətlə ümumiyyətlə qarşılıqlı əlaqədə olmaya bilər, nəticədə əlavə reaksiya yaranır.

Davam edən salınım fəaliyyətinin tezliyi t1 və t2 arasında artır.

Davam edən salınım fəaliyyətinin amplitudası t1 və t2 arasında artır.

Davam edən salınım fəaliyyətinin fazası t1-də sıfırlanır.

Fəaliyyət t1 və t2 arasında davam edən salınım fəaliyyətinə xətti olaraq əlavə olunur.

Davam edən fəaliyyət Redaktə edin

Kortəbii fəaliyyət, həssas giriş və ya motor çıxışı kimi açıq bir vəzifənin olmadığı beyin fəaliyyətidir və buna görə də istirahət vəziyyətində fəaliyyət kimi istinad edilir. O, induksiya edilmiş fəaliyyətə, yəni sensor stimullar və ya motor reaksiyaları ilə induksiya olunan beyin fəaliyyətinə qarşıdır. Termin davamlı beyin fəaliyyəti elektroensefaloqrafiya və maqnitoensefaloqrafiyada stimulun işlənməsi və ya bədən hissəsinin hərəkəti kimi xüsusi digər hadisələrin baş verməsi ilə əlaqəli olmayan siqnal komponentləri üçün istifadə olunur, yəni oyanmış potensial/oyandırılmış sahələr və ya induksiya edilmiş fəaliyyət əmələ gətirməyən hadisələr . Əgər stimulun emalı ilə maraqlanırsa, kortəbii fəaliyyət adətən səs-küy hesab olunur, lakin kortəbii fəaliyyət beyin inkişafı zamanı, məsələn, şəbəkənin formalaşması və sinaptogenezdə həlledici rol oynayır. Kortəbii fəaliyyət insanın hazırkı psixi vəziyyəti (məsələn, oyanıqlıq, ayıqlıq) ilə bağlı məlumatlandırıcı ola bilər və tez-tez yuxu tədqiqatlarında istifadə olunur. Alfa dalğaları kimi salınan fəaliyyətin müəyyən növləri spontan fəaliyyətin bir hissəsidir. Alfa aktivliyinin güc dalğalanmalarının statistik təhlili bimodal paylanmanı, yəni yüksək və aşağı amplituda rejimini ortaya qoyur və buna görə də istirahət vəziyyətinin fəaliyyətinin yalnız səs-küy prosesini əks etdirmədiyini göstərir. [43] fMRI vəziyyətində, qan-oksigen səviyyəsindən asılı (BOLD) siqnalda spontan dalğalanmalar standart şəbəkə kimi istirahət vəziyyətləri şəbəkələri ilə əlaqəli korrelyasiya modellərini aşkar edir. [44] İstirahət vəziyyəti şəbəkələrinin müvəqqəti təkamülü müxtəlif tezlik diapazonlarında salınan EEG fəaliyyətinin dalğalanmaları ilə əlaqələndirilir. [45]

Davam edən beyin fəaliyyəti də qavrayışda mühüm rol oynaya bilər, çünki o, daxil olan stimullarla əlaqəli fəaliyyətlə qarşılıqlı əlaqədə ola bilər. Həqiqətən, EEG tədqiqatları vizual qavrayışın kortikal salınımların həm fazasından, həm də amplitudasından asılı olduğunu göstərir. Məsələn, vizual stimullaşdırma anında alfa fəaliyyətinin amplitudası və mərhələsi zəif stimulun subyekt tərəfindən qəbul edilib-edilməyəcəyini proqnozlaşdırır. [46] [47] [48]

Tezliyə cavab Redaktə edin

Girişə cavab olaraq, bir neyron və ya neyron ansamblı onun salındığı tezliyi dəyişə bilər, beləliklə, onun sıçrayış sürətini dəyişə bilər. Çox vaxt bir neyronun atəş sürəti onun qəbul etdiyi ümumi fəaliyyətdən asılıdır. Tezlik dəyişiklikləri də adətən mərkəzi model generatorlarında müşahidə olunur və bilavasitə gedişdə addım tezliyi kimi motor fəaliyyətlərinin sürəti ilə bağlıdır. Bununla belə, dəyişikliklər qohum müxtəlif beyin sahələri arasında salınım tezliyi o qədər də yaygın deyil, çünki salınım fəaliyyətinin tezliyi çox vaxt beyin sahələri arasında vaxt gecikmələri ilə əlaqədardır.

Amplituda cavab Redaktə edin

Uyarılmış fəaliyyətin yanında, stimulun işlənməsi ilə əlaqəli sinir fəaliyyəti induksiya edilmiş fəaliyyətlə nəticələnə bilər. İnduksiya edilmiş fəaliyyət, stimulların işlənməsi və ya hərəkət hazırlığı nəticəsində yaranan davamlı beyin fəaliyyətində modulyasiyaya aiddir. Beləliklə, onlar təhrik edilmiş cavablardan fərqli olaraq dolayı cavabı əks etdirir. İnduksiya edilmiş fəaliyyətin yaxşı öyrənilmiş növü salınım fəaliyyətinin amplituda dəyişməsidir. Məsələn, qamma fəaliyyəti tez-tez artan zehni fəaliyyət zamanı, məsələn, obyektin təsviri zamanı artır. [49] İnduksiya edilmiş cavablar ölçmələr üzrə müxtəlif fazalara malik ola bildiyindən və buna görə də orta hesablama zamanı ləğv olunduğundan, onlar yalnız zaman-tezlik analizindən istifadə etməklə əldə edilə bilər. İnduksiya edilmiş fəaliyyət ümumiyyətlə çoxsaylı neyronların fəaliyyətini əks etdirir: salınım fəaliyyətində amplituda dəyişikliklərin sinir fəaliyyətinin sinxronizasiyasından, məsələn, sünbül vaxtının sinxronizasiyası və ya ayrı-ayrı neyronların membran potensialının dəyişməsi ilə yarandığı düşünülür. Buna görə də salınım aktivliyindəki artımlar tez-tez hadisə ilə əlaqəli sinxronizasiya, azalmalar isə hadisə ilə əlaqəli desinxronizasiya adlanır. [50]

Faza sıfırlama Redaktə edin

Fazanın sıfırlanması neyron və ya neyron ansamblına giriş davam edən salınımların fazasını sıfırladıqda baş verir. [51] Sünbül vaxtının neyron girişinə uyğunlaşdırıldığı tək neyronlarda çox yaygındır (bir neyron dövri girişə cavab olaraq sabit bir gecikmədə sıçrayış edə bilər ki, bu da faza kilidlənməsi adlanır [13] ) və neyronlarda da baş verə bilər. ansambllar, onların neyronlarının fazaları eyni vaxtda tənzimləndikdə. Faza sıfırlanması müxtəlif neyronların və ya müxtəlif beyin bölgələrinin sinxronizasiyası üçün əsasdır [12] [29], çünki sünbüllərin vaxtı digər neyronların fəaliyyətinə bağlı fazaya çevrilə bilər.

Faza sıfırlanması həmçinin stimulla əlaqəli fəaliyyətlə birbaşa əlaqəli olan beyin fəaliyyətində cavablar üçün elektroensefaloqrafiya və maqnitoensefaloqrafiyada istifadə olunan bir termin olan evokasiya edilmiş fəaliyyətin öyrənilməsinə də imkan verir. Uyarılmış potensiallar və hadisə ilə əlaqəli potensiallar, stimulun kilidlənmiş ortalaması ilə elektroensefaloqrammadan əldə edilir, yəni.bir stimulun təqdimatı ətrafında sabit gecikmələrdə müxtəlif sınaqların orta hesablanması. Nəticədə, hər bir ölçmədə eyni olan siqnal komponentləri qorunur və bütün digərləri, yəni davam edən və ya kortəbii fəaliyyət orta hesabla çıxarılır. Yəni, hadisə ilə əlaqəli potensiallar yalnız stimul və ya hadisə ilə bağlı olan beyin fəaliyyətindəki salınımları əks etdirir. Oyanan fəaliyyət çox vaxt davam edən beyin fəaliyyətindən müstəqil hesab olunur, baxmayaraq ki, bu, davamlı müzakirədir. [52] [53]

Asimmetrik amplituda modulyasiyası Redaktə edin

Bu yaxınlarda təklif edilmişdir ki, fazalar sınaqlar arasında uyğunlaşdırılmasa belə, induksiya edilmiş fəaliyyət hələ də hadisələrlə əlaqəli potensiallara səbəb ola bilər, çünki davam edən beyin salınımları simmetrik olmaya bilər və beləliklə, amplituda modulyasiyaları orta səviyyəyə çatmayan əsas dəyişikliyə səbəb ola bilər. [54] [55] Bu model göstərir ki, asimmetrik alfa aktivliyi kimi hadisələrlə əlaqəli yavaş reaksiyalar, dendritlərdə irəli və geriyə doğru yayılan hüceyrədaxili cərəyanların asimmetriyası kimi asimmetrik beyin salınımının amplituda modulyasiyaları nəticəsində yarana bilər. [56] Bu fərziyyəyə əsasən, dendritik cərəyandakı asimmetriyalar EEG və MEG ilə ölçülən salınım aktivliyində asimmetriyalara səbəb olacaq, çünki piramidal hüceyrələrdəki dendritik cərəyanların ümumiyyətlə baş dərisində ölçülə bilən EEG və MEG siqnallarını yaratdığı düşünülür. [57]

Sinir sinxronizasiyası diqqət kimi tapşırıq məhdudiyyətləri ilə modullaşdırıla bilər və funksiyaların bağlanmasında, [58] neyron rabitəsində, [5] və motor koordinasiyasında rol oynadığı düşünülür. [7] 1990-cı illərdə Qrey, Sinqer və başqalarının beynin vizual sistemi ilə bağlı araşdırmalarının sinir bağlama hipotezini dəstəklədiyi ortaya çıxanda neyron salınımları nevrologiyada isti mövzuya çevrildi. [59] Bu fikrə görə, neyron ansambllarındakı sinxron rəqslər obyektin müxtəlif xüsusiyyətlərini təmsil edən neyronları birləşdirir. Məsələn, bir insan ağaca baxdıqda, ağacın gövdəsini təmsil edən vizual korteks neyronları və eyni ağacın budaqlarını təmsil edən neyronlar, ağacın vahid təsvirini yaratmaq üçün sinxron şəkildə salınacaqlar. Bu fenomen ən yaxşı şəkildə yerli neyron qruplarının sinxron fəaliyyətini əks etdirən yerli sahə potensiallarında müşahidə olunur, lakin eyni zamanda sinxron salınım fəaliyyəti ilə qavrayış kimi müxtəlif idrak funksiyaları arasında sıx əlaqə üçün artan sübutlar təmin edən EEG və MEG qeydlərində göstərilmişdir. qruplaşdırma. [58]

Kardiostimulyatorun redaktəsi

Ürəyin sağ atriumunda yerləşən sinoatrial düyündəki hüceyrələr dəqiqədə təxminən 100 dəfə kortəbii depolarizasiya edir. Ürəyin bütün hüceyrələri ürəyin daralmasına səbəb olan fəaliyyət potensialı yaratmaq qabiliyyətinə malik olsa da, sinoatrial düyün normal olaraq onu işə salır, çünki o, digər nahiyələrə nisbətən bir qədər daha sürətli impulslar yaradır. Beləliklə, bu hüceyrələr normal sinus ritmini yaradır və ürək dərəcəsini birbaşa idarə etdikləri üçün kardiostimulyator hüceyrələr adlanır. Xarici sinir və hormonal nəzarət olmadıqda, SA düyünündəki hüceyrələr ritmik olaraq boşalacaqlar. Sinoatrial node, kardiostimulyator hüceyrələrinin kortəbii atəş tezliyini yuxarı və ya aşağı tənzimləyən avtonom sinir sistemi tərəfindən zəngin şəkildə innervasiya olunur.

Mərkəzi naxış generatoru Redaktə edin

Neyronların sinxron atəşi də ritmik hərəkətlər üçün dövri motor əmrlərinin əsasını təşkil edir. Bu ritmik çıxışlar mərkəzi naxış generatoru adlanan bir şəbəkə meydana gətirən bir qrup qarşılıqlı neyron tərəfindən istehsal olunur. Mərkəzi naxış generatorları aktivləşdirildikdə xüsusi vaxt məlumatlarını daşıyan sensor və ya enən girişlər olmadıqda ritmik motor nümunələri yarada bilən neyron sxemlərdir. Nümunələr gəzinti, nəfəs alma və üzgüçülükdür, [60] Mərkəzi naxış generatorları üçün əksər dəlillər çıraq kimi aşağı heyvanlardan gəlir, lakin insanlarda onurğa mərkəzi model generatorları üçün də sübutlar var. [61] [62]

İnformasiya emalı Redaktə edin

Neyron sıçrayışı ümumiyyətlə beyində məlumat ötürülməsi üçün əsas hesab olunur. Belə bir köçürmə üçün məlumat sıçrayış nümunəsində kodlaşdırılmalıdır. Fərqli kodlaşdırma sxemləri təklif edilmişdir, məsələn, dərəcə kodlaşdırması və müvəqqəti kodlaşdırma. Sinir salınımları dövri zaman pəncərələri yarada bilər ki, bu zaman giriş sıçrayışları neyronlara daha çox təsir edir və bununla da müvəqqəti kodların deşifrə edilməsi mexanizmini təmin edir. [63]

Qavrama Redaktəsi

Neyron atəşinin sinxronizasiyası, bu cavabları sonrakı birgə emal üçün bağlamaq, yəni münasibətləri kodlaşdırmaq üçün müvəqqəti sinxronizasiyadan istifadə etmək üçün eyni stimula cavab verən məkan olaraq ayrılmış neyronları qruplaşdırmaq üçün bir vasitə kimi xidmət edə bilər. Əvvəlcə sinxroniyanın bağlanması fərziyyəsinin sırf nəzəri formalaşdırılması təklif edildi, [64], lakin sonradan sinxronizasiyanın əlaqəli kod kimi potensial rolunu dəstəkləyən geniş eksperimental sübutlar bildirildi. [65]

Beyində sinxron salınan fəaliyyətin funksional rolu əsasən görmə qabığına implantasiya edilmiş çoxsaylı elektrodlarla oyaq pişiklər üzərində aparılan təcrübələrdə müəyyən edilmişdir. Bu təcrübələr göstərdi ki, məkan olaraq ayrılmış neyron qrupları vizual stimullar tərəfindən aktivləşdirildikdə sinxron salınım fəaliyyəti ilə məşğul olurlar. Bu rəqslərin tezliyi 40 Hz diapazonunda idi və ızgaranın yaratdığı dövri aktivasiyadan fərqlənirdi ki, bu, rəqslərin və onların sinxronizasiyasının daxili neyron qarşılıqlı təsirləri ilə bağlı olduğunu göstərirdi. [65] Oxşar tapıntılar paralel olaraq Ekhorn qrupu tərəfindən göstərildi və bu, xüsusiyyətin bağlanmasında sinir sinxronizasiyasının funksional rolu üçün əlavə sübutlar təmin etdi. [66] O vaxtdan bəri çoxsaylı tədqiqatlar bu tapıntıları təkrarladı və onları EEG kimi müxtəlif üsullara genişləndirdi və qamma salınımlarının vizual qavrayışda funksional roluna dair geniş sübutlar təqdim etdi.

Gilles Laurent və həmkarları qoxunun qəbulunda salınım sinxronizasiyasının mühüm funksional rola malik olduğunu göstərdilər. Fərqli qoxuları qəbul etmək, müxtəlif salınım dövrləri dəstlərinə atəş açan neyronların müxtəlif alt qruplarına gətirib çıxarır. [67] Bu salınımlar GABA blokatoru pikrotoksini tərəfindən pozula bilər, [68] və salınım sinxronizasiyasının pozulması arılarda kimyəvi cəhətdən oxşar odorantların davranış ayrı-seçkiliyinin pozulmasına [69] və aşağı axın β-lobda qoxular arasında daha oxşar reaksiyalara səbəb olur. neyronlar. [70] Bu işin son təqibi göstərdi ki, salınımlar həşərat göbələklərinin bədənində Kenyon hüceyrələri üçün dövri inteqrasiya pəncərələri yaradır, belə ki, antenal lobdan gələn sünbüllər yalnız salınım dövrünün müəyyən mərhələlərində Kenyon hüceyrələrini aktivləşdirməkdə daha təsirli olur. . [63]

Sinir salınımlarının da zaman hissi [71] və somatosensor qavrayışda iştirak etdiyi düşünülür. [72] Bununla belə, son tapıntılar kortikal qamma salınımlarının saat kimi funksiyasına qarşı çıxır. [73]

Motor koordinasiyası Redaktə edin

Mühərrik sistemində rəqslər tez-tez bildirilmişdir. Pfurtscheller və həmkarları subyektlər hərəkət etdikdə EEG fəaliyyətində alfa (8-12 Hz) və beta (13-30 Hz) salınımlarda azalma tapdılar. [50] [74] Kortikaldaxili qeydlərdən istifadə edərək, meymunlar əhəmiyyətli diqqət tələb edən motor hərəkətləri yerinə yetirərkən motor korteksində salınım fəaliyyətində oxşar dəyişikliklər aşkar edilmişdir. [75] [76] Bundan əlavə, kortiko-əzələ koherensiyası ilə müəyyən edildiyi kimi, onurğa səviyyəsindəki rəqslər daimi əzələ aktivasiyası zamanı motor korteksindəki beta salınımları ilə sinxronlaşdırılır. [77] [78] [79] Eyni şəkildə, müxtəlif əzələlərin əzələ fəaliyyəti motor koordinasiyasında iştirak edən əsas sinir dövrəsini əks etdirən çoxlu fərqli tezliklərdə əzələlərarası uyğunluğu ortaya qoyur. [80] [81]

Bu yaxınlarda müəyyən edilmişdir ki, kortikal salınımlar motor korteksinin yerli dövrəsinə xas olan dominant məkan oxları boyunca motor korteksinin səthi boyunca hərəkət edən dalğalar kimi yayılır. [82] Təklif edilmişdir ki, hərəkət edən dalğalar şəklində olan motor əmrləri əzələ gücünü seçici şəkildə idarə etmək üçün enən liflər tərəfindən məkan olaraq süzülə bilər. [83] Simulyasiyalar göstərdi ki, korteksdə davam edən dalğa aktivliyi EEG-EMG koherensliyinin fizioloji səviyyələri ilə sabit əzələ qüvvəsi yarada bilər. [84]

10 Hz-də salınan ritmlər beyincik ilə əlaqəli olan aşağı zeytun adlanan beyin bölgəsində qeydə alınıb. [14] Bu salınımlar fizioloji tremorun motor çıxışında [85] və barmaqların yavaş hərəkətləri zamanı da müşahidə olunur. [86] Bu tapıntılar insan beyninin fasiləsiz olaraq davamlı hərəkətləri idarə etdiyini göstərə bilər. Dəstək olaraq göstərildi ki, bu hərəkət fasilələri serebello-talamo-kortikal döngədə salınım fəaliyyəti ilə birbaşa əlaqələndirilir, bu da aralıq motor nəzarəti üçün sinir mexanizmini təmsil edə bilər. [87]

Yaddaş Redaktəsi

Sinir salınımları, xüsusən teta fəaliyyəti yaddaş funksiyası ilə geniş şəkildə bağlıdır. Teta ritmləri öyrənmə və yaddaşın bərpası zamanı gəmiricilərin hippokamplarında və entorinal korteksdə çox güclüdür və onların öyrənmə və yaddaş üçün potensial hüceyrə mexanizmi olan uzunmüddətli potensiasiyanın induksiyası üçün həyati əhəmiyyətə malik olduğuna inanılır. Teta və qamma fəaliyyəti arasındakı əlaqənin epizodik yaddaş da daxil olmaqla yaddaş funksiyaları üçün həyati əhəmiyyət kəsb etdiyi düşünülür. [88] [89] Yerli teta salınımları ilə tək neyron sünbüllərinin sıx koordinasiyası insanlarda uğurlu yaddaşın formalaşması ilə əlaqələndirilir, çünki daha çox stereotipli spiking daha yaxşı yaddaşı proqnozlaşdırır. [90]

Yuxu və şüur ​​Redaktə edin

Yuxu, şüurun azalması və ya olmaması ilə xarakterizə olunan təbii olaraq təkrarlanan bir vəziyyətdir və sürətli göz hərəkəti (REM) və sürətli olmayan göz hərəkəti (NREM) yuxu dövrlərində davam edir. Yuxu mərhələləri EEG-nin spektral məzmunu ilə xarakterizə olunur: məsələn, N1 mərhələ beynin alfa dalğalarından (oyanıq vəziyyətdə ümumi) teta dalğalarına keçidinə aiddir, halbuki N3 mərhələsi (dərin və ya yavaş dalğalı yuxu) ilə xarakterizə olunur. delta dalğalarının olması. Yuxu mərhələlərinin normal qaydası N1 → N2 → N3 → N2 → REM-dir. [ sitat lazımdır ]

İnkişaf Redaktəsi

Sinir salınımları sinir inkişafında rol oynaya bilər. Məsələn, tor qişa dalğalarının retinada hüceyrələr arasında dövrələrin və sinapsların erkən əlaqəsini müəyyən edən xüsusiyyətlərə malik olduğu düşünülür. [91]

Sinir salınımlarının xüsusi növləri Parkinson xəstəliyi və ya epilepsiya kimi patoloji vəziyyətlərdə də görünə bilər. Bu patoloji salınımlar çox vaxt normal salınımın aberrant variantından ibarətdir. Məsələn, ən yaxşı məlum olan növlərdən biri ümumiləşdirilmiş və ya absans epileptik tutmalara xas olan və normal yuxu milinin salınımlarına bənzəyən sünbül və dalğa salınımıdır.

Tremor Redaktə

Tremor, bir və ya bir neçə bədən hissəsinin irəli-geri hərəkətlərini əhatə edən qeyri-iradi, bir qədər ritmik, əzələ daralması və rahatlamasıdır. Bu, bütün qeyri-ixtiyari hərəkətlər arasında ən çox yayılmışdır və əllər, qollar, gözlər, üz, baş, səs telləri, gövdə və ayaqları təsir edə bilər. Ən çox titrəmələr əllərdə olur. Bəzi insanlarda tremor başqa bir nevroloji pozğunluğun əlamətidir. Əsas tremor və ya Parkinson tremoru kimi bir çox müxtəlif tremor formaları müəyyən edilmişdir. İddia olunur ki, titrəyişlər mərkəzi sinir sistemlərindəki sinir salınımlarından, həm də refleks döngə rezonansları kimi periferik mexanizmlərdən qaynaqlanan çox faktorialdır. [92]

Epilepsiya redaktəsi

Epilepsiya nöbetlərlə səciyyələnən ümumi xroniki nevroloji xəstəlikdir. Bu tutmalar beyində anormal, həddindən artıq və ya hipersinxron neyron fəaliyyətinin keçici əlamətləri və/yaxud simptomlarıdır. [93]

Talamokortikal disritmiya Edit

Talamokortikal disritmiyada (TCD) normal talamokortikal rezonans pozulur. Girişin talamik itkisi talamo-kortikal sütunun tezliyinin MEG və EEG tərəfindən maşın öyrənməsi ilə müəyyən edildiyi kimi teta və ya delta zolağına yavaşlamağa imkan verir. [94] TCD talamotomiya kimi neyrocərrahi üsullarla müalicə edilə bilər.

Klinik son nöqtələr Redaktə edin

Sinir salınımları müvafiq olaraq beyin fəaliyyətinə təsir edən bir neçə dərmana həssasdır, sinir salınımlarına əsaslanan biomarkerlər klinik sınaqlarda və preklinik tədqiqatlarda təsirlərin kəmiyyətini müəyyənləşdirməkdə ikincil son nöqtələr kimi ortaya çıxır. Bu biomarkerlər tez-tez "EEQ biomarkerləri" və ya "Neyrofizioloji biomarkerlər" adlanır və kəmiyyət elektroensefaloqrafiyasından (qEEG) istifadə edərək kəmiyyəti müəyyən edilir. EEG biomarkerləri açıq mənbəli Neyrofizioloji Biomarker Alətlər qutusundan istifadə edərək EEG-dən çıxarıla bilər.

Beyin-kompüter interfeysi Redaktə edin

Sinir salınımı müxtəlif beyin-kompüter interfeyslərində (BCI) nəzarət siqnalı kimi tətbiq edilmişdir. [95] Məsələn, elektrodları baş dərisinə yerləşdirməklə və sonra zəif elektrik siqnallarını ölçməklə qeyri-invaziv BCI yaradıla bilər. Fərdi neyron fəaliyyətləri qeyri-invaziv BCI vasitəsilə qeydə alınmasa da, kəllə elektromaqnit siqnallarını nəmləndirir və bulandırır, salınım fəaliyyəti hələ də etibarlı şəkildə aşkar edilə bilər. BCI 1973-cü ildə [96] Vidal tərəfindən insan bədənindən kənar obyektləri idarə etmək üçün EEG siqnallarından istifadə problemi kimi təqdim edilmişdir.

BCI problemindən sonra, 1988-ci ildə fiziki obyektin, robotun idarə edilməsi üçün BCI əsaslı beyin ritmində alfa ritmindən istifadə edilmişdir. [97] [98] Alpha ritm əsaslı BCI robotun idarə edilməsi üçün ilk BCI idi. [99] [100] Xüsusilə, BCI-nin bəzi formaları istifadəçilərə xüsusi tezlik diapazonlarında, o cümlədən mu və beta ritmlərində salınım fəaliyyətinin amplitüdünü ölçməklə cihazı idarə etməyə imkan verir.

Mərkəzi sinir sistemində rast gəlinən salınım fəaliyyəti növlərinin qeyri-inklüziv siyahısı:


Spontan elektrik aşağı tezlikli salınımlar: mümkün rol Hidra və bütün canlı sistemlər

Biologiyada ilk model sistemlərdən biri kimi bazal metazoa Hidra ilk dəfə XVIII əsrin əvvəllərində Antonie van Leeuwenhoek tərəfindən kəşf edildikdən sonra canlı sistemlərin əsas xüsusiyyətlərini ortaya qoyur. Hüceyrə və inkişaf biologiyasında yaxşı qurulmuş olsa da, bu kiçik şirin su polipi yalnız indi müasir nevrologiyaya yenidən təqdim olunur, burada artıq maraqlı bir tapıntı ortaya çıxardı: eyni tezlikdə aşağı tezlikli spontan sinir salınımlarının olması. insan beynindəki standart rejim şəbəkəsində tapılanlar. Təəccüblüdür ki, artan dəlillər belə kortəbii elektrik aşağı tezlikli rəqslərin (SELFO) bakteriyalardan tutmuş insanlara qədər Yerdəki həyatın geniş müxtəlifliyində tapıldığını göstərir. Bu yazı, kəşflərinin əhəmiyyətindən başlayaraq müxtəlif filalarda SELFO-lar üçün sübutları nəzərdən keçirir Hidra, və orqanizmin bərpasında inkişaf yaddaşı üçün "şablon" kimi bioelektrikliyin roluna dair artan ədəbiyyatı dəstəkləyən elektrik orqanizm təşkilatçıları kimi potensial rolu fərz edir.

Bu məqalə “Bazal idrak: konseptual alətlər və tək hüceyrədən baxış” mövzusunun bir hissəsidir.

1. Giriş

Hidra, kiçik şirin su cnidarian polipi, 300 il əvvəl kəşf edildiyi vaxtdan bəri çoxsaylı hüceyrə və inkişaf bioloji tədqiqatlar üçün məhsuldar model orqanizm kimi xidmət etmişdir. Bu yaxınlarda, Hidra Neyrologiyada model sistem kimi yenidən canlandırıldı, burada onun "sadə" görünən sinir şəbəkəsi təkcə dramatik bütün bədəni olan davranış yaradan neyron dövrələrin fəaliyyətini işıqlandırmır. in vivo görüntüləmə [1], həm də maraqlı bir fenomeni [1] aşkar etdi: insan beynində standart rejim şəbəkəsində (DMN) tapılanlarla eyni tezlikdə kortəbii elektrik aşağı tezlikli salınımlar (SELFO). Burada “SELFO” termini xarici stimullardan asılı olmayaraq kortəbii şəkildə yaranan və görünməyən aşağı tezlikli (adətən 0,01-0,1 Hz, lakin dəqiq tezlik orqanizmdən asılıdır) orqanizm boyu salınan elektrik fəaliyyətinə istinad etmək üçün istifadə olunacaq. birbaşa davranış yaratmaq. Bu cür sirli ÖZLƏR ilk dəfə olaraq müşahidə edilmişdir Hidra və 1960-cı illərdə digər Cnidaria [2,3], lakin onlar təqib edilməmişdir, buna görə də funksiyaları deşifrə edilməmişdir. Bu SELFO-lar daha yaxınlarda yenidən kəşf edildi Hidra işləyir, lakin eyni şəkildə davranış yaradan şəbəkələrin ardınca bir kənara qoyulmuşdur, buna görə də onların funksiyası naməlum olaraq qalır [1]. 1990-cı illərdə DMN-nin kəşfi ilə gözlənilmədən insan beynində SELFO aşkar edildi və bu, geniş şəkildə öyrənildi və spontan düşüncə, epizodik yaddaş, zehnin dolaşması kimi 'istirahət vəziyyəti' psixi proseslərdə rol oynadığı fərz edildi. və özü ilə əlaqəli emal [4].

Təəccüblüdür ki, artan dəlillər SELFO-ların bütün canlı aləmdə, o cümlədən bitkilər [5,6], göbələklər [7-9], protozoa [10] və bakteriyalar [11-13] kimi neyron olmayan orqanizmlərdə tapıldığını göstərir. Yer üzündə həyatın inkişafının erkən mərhələsində yaranan əsas bioloji funksiyaya. Burada müdafiə olunan iddia, SELFO-ların potensial rolu ola biləcəyidir elektrik orqanizm təşkilatçıları, sistem miqyasında inteqratorlar və kommunikatorlar kimi xidmət edərək, onları orqanizm birliyinin və ardıcıl, uyğunlaşan davranışın qurulması və saxlanması üçün kritik hala gətirir. Belə bir fikir bioelektrik hadisələrin inkişaf yaddaşı, o cümlədən regenerasiya üçün şablon kimi çıxış edə biləcəyi ilə bağlı son təkliflərə uyğundur. Hidra uzun müddət nümunə orqanizm kimi xidmət etmişdir [14].

Kağız aşağıdakı kimi qurulmuşdur. Bölmə 2-yə ümumi baxış təqdim edir Hidra hüceyrə və inkişaf biologiyasında bir model sistem olaraq, bu erkən işin çoxhüceyrəli orqanizmlərin bədənlərini necə qurması haqqında bizə nə öyrətdiyinə diqqət yetirir. 3-cü bölmə 1870-ci illərdən başlayan və 1960-cı illərdə kulminasiya nöqtəsinə çatan cnidariya neyrofiziologiyası və davranışı ilə bağlı erkən tədqiqatlara müraciət edir ki, bu da hər yerdə yayılmış spontan sinir fəaliyyətini aşkar edir [2,3]. 4-cü bölmədə insan beynində hələ də az başa düşülən kortəbii elektrik fəaliyyəti, xüsusən də “DMN”, onun gözlənilməz kəşfi və funksiyası ilə bağlı fərziyyələr təqdim olunur [4]. Bölmə 5 digər geniş şəkildə fərqlənən orqanizmlərdə SELFO üçün sübutları araşdırır. Bölmə 6, SELFO-ların bioloji sistemlərdə - orqanizmin qurulmasının və davamlılığının təşkilatçıları kimi - hansı rol oynaya biləcəyinə dair yüksək ilkin fərziyyə irəli sürür. Hidra bu ideyanı və ondan irəli gələn digərləri ciddi şəkildə sınaqdan keçirməyə başlamaq üçün ideal bir model sistemidir.

2. Hidra erkən model sistem kimi

Hollandiyalı mikrobioloji pioner Antonie van Leeuwenhoek kəşf etdi Hidra 1702-ci ildə.London Kral Cəmiyyətinə yazdığı məktubunda o, o vaxtlar Aşağı Ölkələr adlanan ərazidə çaydan çıxartdığı “yaşıl alaq otlarının” köklərinə yapışmış bir sıra “heyvanlar” tapdığını təsvir etmişdir [15]. Bu xüsusi "heyvanlar" büzülür və uzanır, yanlarından "gənc heyvanlar" əmələ gətirir və bədənlərinin içərisinə və xaricə kiçik "təkərlər" çəkirdi. Van Leeuwenhoek məktubu ilə birlikdə bu orqanizmlərin rəsmlərini də əlavə etdi, lakin bu, onun araşdırmasının həcmi idi.

Təxminən 40 il sonra hollandiyalı müəllim Abraham Trembli van Leeuwenhoek-in əvvəlki kəşfindən xəbərsiz olaraq yaxınlıqdakı gölməçədən nümunələr topladı və kiçik yaşıl polipi yenidən kəşf etdi. Van Leeuwenhoek-dən fərqli olaraq, daxil olan bir çox orqanizmi tədqiq edən Hidra, Trembli dərin bir dalış etdi Hidra biologiyanı öyrəndi və orqanizmin heyvan yoxsa bitki olduğunu müəyyən etməyə heyran oldu. O zaman bitkilərin bərpası məlum idi, heyvanlar isə yox idi. Problemi həll etmək üçün Trembli polipin yarısını kəsdi. Təəccüblüdür ki, polip bütün bədənini bərpa etdi, bu da ona bunun bir bitki olduğunu düşündürdü. Bununla belə, polip həm də mürəkkəb yollarla hərəkət edə bilər, o cümlədən yırtıcı tutmaq, çadırlarından istifadə edərək özünü qidalandırmaq və “salto” etmək – klassik olaraq yalnız heyvanlarla əlaqəli qabiliyyətlərdir. Trembli, poliplərin müxtəlif davranışlarını və toxuma parçalarından özlərini bərpa edə bildikləri saysız-hesabsız üsulları müşahidə və qeyd etdiyi bir sıra ciddi təcrübələrdən sonra, bu kateqoriyaya zidd polipin, həqiqətən, bərpa edə bilən bir heyvan olduğu qənaətinə gəldi. özü də bitki kimi. O, əlamətdar nəticələrini 1742-1746-cı illərdə Kral Cəmiyyətinə göndərdiyi məktublar silsiləsində [16-19] və 1744-cü ildə [20] tədqiqatlarını kataloqlaşdıran kitabda dərc etdirdi, bu da birlikdə heyvanların bərpası və yenilənməsi fenomeninə böyük marağa səbəb oldu. sahəsini işə saldı Hidra biologiya.

Tremblinin təxminən 280 il əvvəl ilk təcrübələrindən bəri, Hidra Yaşlanma, regenerasiya, nümunənin formalaşması, kök hüceyrənin saxlanması və differensasiyası daxil olmaqla, müxtəlif bioloji prosesləri öyrənmək üçün son dərəcə faydalı model orqanizm kimi xidmət etmişdir [21]. Ən böyük erkən kəşflərdən biri Hidra 1909-cu ildə TH Morgan və EB Wilson ilə birlikdə işləyən aspirant Ethel Browne nümayiş etdirdi ki, bir heyvanın alt çəngəl nahiyəsindən toxuma parçası kəsilərək digərinin bədən sütununa peyvənd edilərək ikinci bir cismin əmələ gəlməsinə səbəb olur. ox - ikinci baş - implantasiya yerində [22]. Trembli kimi, Braun bir sıra ehtiyatlı peyvənd təcrübələri həyata keçirdi ki, bu da “induksiya”nın bu yeni xüsusiyyətini göstərdi, nəticədə ikinci bədən oxu yarandı, təkrarlana bilən və alt çəngəl bölgəsindəki toxumalara xas idi. On beş il sonra Hans Spemann və Hilde Mangold təxminən eyni təcrübəni həyata keçirdilər və amfibiya embrionlarından istifadə edərək eyni effekti nümayiş etdirdilər [23]. Spemann 1935-ci ildə Nobel Mükafatını aldığı bu xüsusi “induksiya” toxuma parçasına “baş təşkilatçı” adını verdilər. Mangold mükafat verilməzdən əvvəl öldü və Braunun orijinal işi Hidra heç vaxt qəbul edilməmişdir [24].

Buna baxmayaraq, Braunun kəşfləri Hidra Gələcək illər üçün inkişaf bioloji tədqiqatların gündəmini təyin edin, burada əsas məqsəd baş təşkilatçı toxumasını nəyin bu qədər xüsusi etdiyini müəyyən etmək idi [25]. Başqa bir bədən oxunun meydana gəlməsinə səbəb ola bilən xüsusi toxuma haqqında nə idi və spesifik "induksiya edən amillər" nə idi? Müxtəlif molekulları və hüceyrə növlərini müəyyən etmək və lokallaşdırmaq üçün çoxsaylı alətlər işlənib hazırlanmışdır ki, bu da baş təşkilatçının inkişaf etməkdə olan orqanizmlər arasında molekulların gradientini, bir növ "molekulyar xəritə" hüceyrələrinin hansı növ "oxuyub" olduğunu "bilmək" üçün "oxuya biləcəyini" tapmasına səbəb olmuşdur. hüceyrənin əmələ gəlməsi və onların orqanizmdə düzgün yerləşməsi [26]. Sonradan gözlənilmədən bu 'molekulyar xəritələr' çoxhüceyrəli heyvanlar arasında yüksək dərəcədə qorunub saxlanıldığı aşkar edildi. Eyni molekulların (məsələn, Wnt, BMP, Hox) bütün orqanizmlər tərəfindən eyni şəkildə istifadə edildiyi ortaya çıxdı. Hidra insanlar üçün bədən oxu polaritesini - ön-arxa və dorsal-ventral qütbləri, həmçinin toxuma növlərini və ümumi bədən planını təyin etmək üçün [27]. Bu göstərdi ki, bazal metazoalarda fundamental bioloji hadisələrin öyrənilməsi, məsələn Hidra, daha mürəkkəb heyvanlarda bu eyni prosesləri işıqlandıra bilər.

3. Cnidaria-da neyrofiziologiya və davranış tədqiqatı

Paralel olaraq ilk növbədə inkişaf tədqiqatları Hidra alternativ olaraq davranış və neyrofizioloji tədqiqatlara yönəlmiş daha az tanınan tədqiqat xətti idi. Bu iş xətti 1870-ci illərdə İngiltərədə çalışan Çarlz Darvinin şagirdlərindən biri olan Corc Romanes və Almaniyada müstəqil işləyən zooloq Teodor Eymerlə başladı [28]. Hər ikisi daha böyük Cnidaria ilə əlaqəli meduzaların mürəkkəb davranışlarına heyran oldu Hidra, o cümlədən onların “məqsədli” yollarla hərəkət etmək və ovlarını tutmaq və udmaq qabiliyyəti (olduğu kimi Hidra), sinir sisteminin mövcudluğunu təklif edən. Demək olar ki, yalnız müxtəlif histoloji metodlardan istifadə edərək, şübhəli və mübahisəli nəticələrlə bu güman edilən sinir sisteminin strukturunu müəyyən etməyə diqqət yetirən sələflərindən, o cümlədən Lui Aqassiz və Ernst Hekkeldən fərqli olaraq, Romanes və Eimer bu bazal metazoaların sinir sisteminə malik olduğunu tədqiq etməklə sübut etməyi məqsəd qoydular. heyvanın davranışının koordinasiyasında onun potensial funksiyası. Onların hər ikisi 1874-cü ildə bir ay fərqlə nəşr etdirdikləri bu yolda əhəmiyyətli irəliləyişlər əldə etdilər [29,30], lakin hər iki şəxs vaxtından əvvəl öldü və bu araşdırma xəttini bitirdi.

Cnidaria'nın neyrofiziologiyası və davranışı üzərində iş 1930-cu illərdə Karl Pantin sinir sisteminin (o zaman diffuz sinir şəbəkəsi şəklində olduğu bilinirdi) dəniz anemonunun əzələlərini necə idarə etdiyi ilə maraqlandıqda yenidən canlandı. Aktiniya [28]. Pantin, Romanes və Eimer kimi, 1952-ci ildə Kron mühazirəsində [31] ümumiləşdirdiyi bu sistemdə davranışın necə koordinasiya olunduğunu müəyyən etməkdə əhəmiyyətli irəliləyiş əldə etdi, lakin o, sələfləri kimi, dövrünün alətləri ilə məhdudlaşdı. Əsl neyrofiziologiya 1950-ci illərə qədər ciddi şəkildə başlamadı, həm elektron mikroskopiya, həm də elektrofiziologiyanın meydana gəlməsi cnidariya sinir sistemlərinin quruluşu və funksiyasının daha mürəkkəb tədqiqatlarına imkan verdi. Elektron mikroskopiya sahəsində böyük bir irəliləyiş meduza neyronlarında sıx nüvəli vezikülləri olan sinapsların müəyyən edilməsi idi, bazal metazoanların məməlilər kimi daha mürəkkəb orqanizmlərdə neyronlara çox oxşar strukturlara malik neyronlara malik olduğunu təsdiqlədi [32]. Eyni zamanda, bu erkən sinir sistemlərinin elektrik xüsusiyyətlərində əhəmiyyətli irəliləyişlər edildi. Meduza neyronuna bitişik hüceyrədənkənar boşluğa daxil edilmiş yeni hazırlanmış mikroelektrod Horridge-ə 1953-cü ildə cnidarianda ilk fəaliyyət potensialını qeyd etməyə imkan verdi [33]. Bu iş başqalarını digər cnidarianların elektrik xüsusiyyətlərini araşdırmaq üçün mikroelektrodlardan istifadə etməyə ruhlandırdı, o cümlədən Hidra [28].

1960-cı illərdə Passano və McCullough elektrik fəaliyyəti və davranışı ilə bağlı eksperimental işlərini yekunlaşdıran bir sıra məqalələr [34-37] nəşr etdi. Hidra. Onların diqqətlə təhlili onları üç nəticəyə gətirib çıxardı. Birinci, Hidra xarici şəraitdən təsirlənə bilsə də, ətraf mühitdən asılı olmayaraq kortəbii, ritmik davranış nümayiş etdirir [35,37]. İkinci, Hidra xüsusi davranışları idarə edən iki “kardiostimulyator sistemindən” ibarət sinir sisteminə malikdir [34-37]. Nəhayət, bu elektrik “kardiostimulyator sistemləri” də kortəbii, ritmik fəaliyyət nümayiş etdirir, bəziləri heç bir davranışla əlaqələndirilmir və bunu “sirli” adlandırırlar [34-36]. Bu eyni xüsusiyyətlər dövrün digər tədqiqatçıları tərəfindən bir neçə digər cnidarianlarda tapıldı və bu erkən heyvanlar arasında funksiyanın əhəmiyyətli dərəcədə qorunduğunu göstərir [2,3]. Bu tapıntılar Passano-nu “kardiostimulyatorlar iyerarxiyasını” özündə əks etdirən bir model təklif etməyə vadar etdi ki, burada bir kardiostimulyator heyvanların ahəngdar davranışını təmin etmək üçün bütün digərlərini koordinasiya etməyə xidmət edəcək və bu sadə görünən, radial olaraq müəyyən “mərkəzi sinir sistemi” xüsusiyyətlərinin təəccüblü görünüşünü verəcəkdir. simmetrik sinir torları [2,3]. Bu iş elektrik fəaliyyətinin necə olduğunu başa düşməyə əhəmiyyətli dərəcədə kömək etdi Hidra davranışı ilə bağlıdır. Buna baxmayaraq, mövcud vasitələrin davam edən məhdudiyyətlərini nəzərə alaraq, əsas suallar cavabsız qaldı və tədqiqat zəmini indiyə qədər dayandı.

Müasir neyroelmi tədqiqatların əsas məqsədi, eyni vaxtda yalnız bir neyron qeyd edilərkən qaçırılacaq bütün sistemin fövqəladə hadisələrinin vizuallaşdırılmasını təmin etmək üçün bir neyron rezolyusiyasında davranan bir heyvanda bütün neyronların fəaliyyətini qeyd etməkdir. mikroelektrodlardan istifadə zamanı [38]. 2000-ci illərin əvvəllərində flüoresan genetik kodlaşdırılmış kalsium göstəricilərinin (GECIs) inkişafı əvvəllər əlçatmaz olan sinir sistemlərinin tam optik təsvirinə imkan verdi [39]. Kiçik ölçüsü, şəffaf gövdəsi və dəqiq müəyyən edilmiş beyin və ya qanqliyaları olmayan diffuz sinir şəbəkəsi ilə (şəkil 1)a), Hidra bütün neyronlarının eyni zamanda bir hüceyrəli rezolyusiyada optik təsviri üçün ideal model sistem olduğunu sübut etdi [40]. Bu cəsarət 2017-ci ildə, demək olar ki, bütün neyronların aktivliyi zamanı əldə edildi Hidra neyronlarında GECI GCaMP6-ları ifadə edən transgen heyvandan istifadə etməklə eyni vaxtda təsvir edilmişdir [1]. Bu əsər iki əsas xüsusiyyəti üzə çıxardı Hidra Passano və McCulloughun əvvəlki işlərinə əsasən uyğun gələn sinir sistemi. Birincisi, Hidra sinir sistemi üç əsas neyron şəbəkəsindən (və ya “ansambllardan”) ibarətdir. İkincisi, kortəbii olaraq aktivdir (bax şəkil 1).b təfərrüatlar üçün).

Şəkil 1. The Hidra sinir şəbəkəsi və onun təklif olunan funksiyaları. (a) The Hidra sinir şəbəkəsi neyronların GFP ilə etiketlənməsi və fırlanan diskli konfokal mikroskopla görüntüləmə ilə görüntülənir. (b) The Hidra sinir şəbəkəsi təklif olunan üç əsas davranış yaradan şəbəkədən ibarətdir: uzununa daralma ilə əlaqəli daralma partlama şəbəkəsi, uzanma ilə əlaqəli ritmik potensial 1 (RP1) şəbəkəsi və radial daralma ilə əlaqəli ritmik potensial 2 (RP2) şəbəkəsi. Bu təklif olunan davranış yaradan şəbəkələrə əlavə olaraq, RP1 şəbəkəsi də bu müddət ərzində aktivdir Hidra Heyvan daimi xarici şəraitdə saxlandıqda və müşahidə edilə bilən davranış nümayiş etdirmədikdə “istirahət” [1,34].

daxilində üç əsas funksional ansamblın kəşfi Hidra sinir sistemi nevrologiyada uzun müddətdir davam edən bir suala işıq salır: sinir sisteminin "əsas vahidi" nədir? Əvvəlcə tək vahid kimi fəaliyyət göstərən davamlı “retikulyar şəbəkə” olduğu fərziyyəsi [41], Ramon y Cajal və Şerrinqton “neyron doktrinası” ilə sinir sistemi haqqında anlayışı dəyişdirdilər – Schleiden və Schwann-ın “Hüceyrə nəzəriyyəsi”nə əsaslanan ideya [42]. ] fərdi sinir hüceyrələri sinir sistemlərinin əsas vahidləridir. Neyron doktrinası artan problem olmadan olmasa da, neyroelmi ortodoksluq olaraq qalır. Bu gün artan dəlillər funksiyanın neyronların qrupları və ya ansamblları [43,44] səviyyəsində, davamlı şəbəkə və müstəqil bölmələr arasında bir yerdə yarandığını göstərir. Bu HidraƏn qədim sinir sistemlərindən biri olan, üç belə funksional ansambla bölünmüş "sadə" görünən sinir şəbəkəsi bu fikri dəstəkləyir. Yenə də bu bazal metazoan bizə bu halda biologiya, neyrobiologiya haqqında fundamental bir şey öyrədir.

Yenidən kəşf edilən ikinci xüsusiyyət Hidra sinir sistemi, onun kortəbii fəaliyyəti, şübhəsiz ki, neyrobiologiyada oxşar inqilabi dəyişikliklərə səbəb ola bilər. Şerrinqtonun sinir sistemi haqqında hələ də təsirli olan təklifi orqanizmi davranış reaksiyasına sövq etmək üçün ətraf mühitin stimullarını gözləyən effektiv bir "refleks orqan" [45] - informasiya emalının giriş-çıxış görünüşünün əsas müddəasını [46] - izah edə bilməz. davranışa heç bir təsiri olmayan spontan sinir fəaliyyəti. Bununla belə, gördüyümüz kimi, bu cür “sirli”, davranışa səbəb olmayan kortəbii fəaliyyət yarım əsrdən artıqdır ki, Knidariyada tanınır [2,3]. O dövrdə heyvanların davranışlarının koordinasiyasında rol oynayacağı fərz edilsə də, bu fəaliyyətin funksiyası heç vaxt görülməyən “gələcək işlərə” buraxılmışdı. Zəif başa düşülsə də, müxtəlif Cnidaria-da tapıntılar mahiyyətcə eyni idi: endogen aktiv sinir sistemləri hətta dəyişməz mühitdə və hətta orqanizmlər istirahətdə olduqda belə ritmik, aşağı tezlikli impulslar istehsal edirdi. Niyə? Nə üçün enerji baxımından bahalı [47] sinir sistemləri bir stimul olmadıqda və hər hansı bir nəzərə çarpan davranış olmadıqda daimi olaraq aktiv ola bilər? Bu aşağı tezlikli kortəbii sinir fəaliyyətinin nisbətən sadə orqanizmlərdə potensial rolu haqqında bir ipucu gözlənilməz bir yerdən gəlir: insan beynindən.

4. Standart rejim şəbəkəsi: insanlarda aşağı tezlikli sinir salınımları

Knidarian sinir sistemlərində kortəbii fəaliyyət nümayiş etdirilməzdən əvvəl, Hans Berger 1929-cu ildə insan beynində "alfa dalğaları" adlandırdığı spontan, ritmik elektrik fəaliyyətini kəşf etmək üçün yeni icad etdiyi elektroensefaloqrammadan istifadə etdi [48]. Bergerin maraqlı ilk tapıntılarına baxmayaraq, beynin yalnız xarici stimullara cavab olaraq aktiv olan giriş-çıxış maşını kimi üstünlük təşkil edən baxışının lehinə spontan beyin fəaliyyəti əsasən nəzərə alınmadı [45]. Neyroloqlar Şulman və Raichle, "tapşırıq doğuran" fəaliyyəti aşkar etmək üçün hazırlanmış insan neyroimaging tədqiqatlarını həyata keçirərkən müstəqil olaraq paradoksal bir nəticə görməzdən əvvəl təxminən yeddi onillik keçdi. Xüsusi bir beyin şəbəkəsi xüsusi olaraq ortaya çıxdı maneə törədib tapşırıqlar zamanı və daha aktiv subyektlər gözləri bağlı 'istirahətdə' idilər [49,50]. Bir sıra tədqiqatlar, dəyişən xarici şərtlər və ya məqsədyönlü davranış olmadıqda daxili beyin fəaliyyətinin mövcudluğunu təsdiqlədi və Şulman və Raichle'i şərti inamı - yalnız xarici stimulların beyin fəaliyyətini yaradan - ciddi qüsurlu olduğu qənaətinə gəlməyə məcbur etdi. Bu kortəbii, istirahət vəziyyətində olan şəbəkə beynin “DMN” kimi tanındı (şəkil 2).a), tez bir zamanda gərgin araşdırma sahəsinə çevrildi [4].

Şəkil 2. İnsanlarda SELFOs və Hidra. (a) Funksional maqnit rezonans tomoqrafiyası (fMRI) (solda) ilə ölçülən "istirahətdə olan" bir subyektdə insan "DMN"sindəki kortəbii elektrik fəaliyyəti, oynaması təklif edilən aşağı tezlikli salınımları (ortada) göstərən əlaqəli zaman kursu ilə sadalanan funksiyalarda rol (sağda). Əncirdən uyğunlaşdırılmış sol və orta panellər. 1a in [51] (müəllif hüququ 2008 Milli Elmlər Akademiyası, ABŞ). (b) Spontan elektrik fəaliyyəti Hidra Göründüyü kimi RP1 şəbəkəsi Hidra Neyronlarında GCaMP6-ları ifadə edən "istirahətdə" (solda) naməlum funksiyanın aşağı tezlikli salınımlarını (ortada) göstərən hüceyrədənkənar elektrodlarla əvvəlki işlərdə ölçülmüş bir zaman kursu ilə. A və A′ ritmik potensialdan (RP) fərqli elektrik potensialı ilə əlaqəli asimmetrik epidermal əzələ daralmalarını göstərir. RP impulsları qara nöqtələrlə işarələnir və müşahidə edilə bilən davranışla nəticələnmir. [34]-də Şəkil 1-dən uyğunlaşdırılmış orta panel.

20 il əvvəl kəşf edildiyi vaxtdan bəri insan DMN üzərində çox iş görülsə də, onun funksiyası hələ də müzakirə olunur. Onun, ilk növbədə, kortəbii düşüncə, epizodik yaddaş, ağlın dolaşması və öz-özünə işləmə kimi "istirahət vəziyyəti" psixi proseslərdə iştirak etdiyinə inanılır [4]. Çoxsaylı tədqiqatlar DMN-ni təşkil etdiyi düşünülən kortikal orta xətt strukturlarında istirahət vəziyyətindəki sinir fəaliyyəti ilə öz-özünə işləmə zamanı aktiv olanlar arasında əhəmiyyətli üst-üstə düşdüyünü göstərdi [52,53]. Bu tapıntılar üz, emosional, şifahi, məkan, motor və yaddaş da daxil olmaqla bir çox sahələrdə özünəməxsus və qeyri-spesifik stimullardan istifadə etməklə təkrarlanmışdır, burada subyektlər özünəməxsus və qeyri-spesifik stimullara müntəzəm olaraq daha güclü reaksiya verirlər. özünəməxsus stimullar [52,53]. Tədqiq olunan hər bir domendə, istirahətdə DMN-də aktiv olan eyni kortikal orta xətt strukturları sınaq zamanı özünəməxsus stimulun işlənməsi zamanı da aktivləşdirildi və Northoff DMN-nin özünəməxsus məlumatları ehtiva edə və ya kodlaya biləcəyini təklif etdi [54]. Bu tapıntılara əlavə olaraq, artan dəlillər göstərir ki, DMN fəaliyyətinin psixodeliklər və ya meditasiya vasitəsilə pozulması "eqo əriməsi" ilə əlaqələndirilir və ya DMN-nin formalaşmasında mühüm rol oynaya biləcəyi fikrinə uyğundur. insanlarda özünü [55-60]. Bununla belə, mənliyin tam olaraq nə olduğu və DMN-nin ona necə töhfə verə biləcəyi qaranlıq olaraq qalır.

DMN-nin insan özünə necə töhfə verə biləcəyinə dair bir ipucu, son illərdə ümumiyyətlə kortəbii beyin fəaliyyəti haqqında öyrənilənlərdən gələ bilər. İndi bilirik ki, insan beyni ultra yavaşdan (0,01-1,0 Hz) ultrasürətə (200-600 Hz) kimi geniş tezlik diapazonunu əhatə edən çoxsaylı kortəbii sinir rəqsləri istehsal edir [61,62]. İnsanlarda tapılan eyni sinir salınım tezliyinin paylanması bu günə qədər tədqiq edilmiş bütün məməlilərin beyinlərində müəyyən edilmişdir ki, belə möhkəm tezlik strukturu məməlilərin beyinlərinin ən yüksək qorunan xüsusiyyətlərindən biridir [61]. Biz həmçinin bilirik ki, daxili beyin fəaliyyəti ümumi bədən enerjisinin 20%-ə qədərini istehlak edir, ona görə də XX əsrin böyük bir hissəsində fərz edildiyi kimi, sadəcə “səs-küy” ola bilməz [63]. Bu iki fakt - yüksək qorunan struktur və yüksək enerji dəyəri - qeyri-müəyyən olsa da, kortəbii beyin fəaliyyətinin beyin funksiyası üçün kritik olduğunu göstərir [61,63]. Buzsakinin təkliflərindən biri, daha sürətli, daha kiçik və daha çox yerli salınımların daha yavaş, daha böyük və daha böyük ritmlər tərəfindən sürükləndiyi, inteqrasiya olunduğu və ya “oxuduğu” çətin “neyron kodun” funksional və ya “sintaktik” vahidlərini təşkil edən inteqrasiya osilatorlarının iyerarxiyasını nəzərdə tutur. daha çox qlobal salınımlar [64]. Ən yüksək tezlikli sinir salınımları kodun "hərfləri" kimi fəaliyyət göstərir, onlar "sözlər" əmələ gətirən aşağı tezlikli salınımlarla inteqrasiya olunur və ya "oxunur", onlar "cümlələrə" inteqrasiya olunur və ya "oxunur". tezlik səviyyəsi və s.Buzsáki bunu açıq şəkildə deməsə də, nəzəriyyə dolayısı ilə bütün yüksək tezlikli məlumatları “oxuyan” ən aşağı tezlik səviyyəsində son aşağı axın inteqratorunun mövcudluğunu nəzərdə tutur. Maraqlıdır ki, DMN-nin belə ultra yavaş diapazonda (0,01-0,1 Hz) salındığı aşkar edilmişdir (şəkil 2).a) [51,65-67], onu son beyin inteqratoru üçün potensial namizəd edir.

Tezliyinə əlavə olaraq, DMN-nin strukturu da onun funksiyasına dair ipucu verə bilər. Beynin ümumi “kiçik dünya” şəbəkə arxitekturası çoxlu qısa, yerli bağlantılardan və qovşaqlar arasında bir neçə uzunmüddətli əlaqədən ibarətdir. Bu şəkildə, DMN uzun məsafəli, qalın miyelinli aksonlar vasitəsilə əsas əlaqə ilə zəngin “zəngin mərkəzləri” birləşdirən beynin əsas inteqratorlarından biri kimi görünür [68-71]. Bu şəbəkə arxitekturası DMN-ni beyində mərkəzi mövqeyə qoyur (şəkil 2a), burada o, başqa şəkildə ayrılmış yerli beyin bölgələri arasında sürətlə məlumat alır və göndərir. Güman edilir ki, DMN bütün ilkin duyğu sahələrindən eksteroseptiv, eləcə də insula, talamus, hipotalamus, ara beyin və beyin sapından interoseptiv giriş alır və öz növbəsində bu sahələr arasında məlumatı sürətlə geri göndərə bilir [4]. ,52,72,73]. Beləliklə, DMN beyində ən aşağı tezlikdə salınmaqla yanaşı, Buzsakinin nəzəriyyəsi [64] tərəfindən gizli şəkildə proqnozlaşdırıldığı kimi, son aşağı axın inteqratoru kimi çıxış etmək üçün unikal struktur mövqeyində görünür.

DMN-nin insanın özünüqurmasında potensial rolu haqqında düşünməyin başqa bir yolu Friston [74,75] tərəfindən irəli sürülən iyerarxik proqnozlaşdırıcı kodlaşdırma “özünü modelinin” üst təbəqəsidir. Son beyin inteqratoruna və ya “oxucuya” (yəni “öz”) ehtiyacı proqnozlaşdıran Buszakinin nəzəriyyəsi kimi, iyerarxik proqnozlaşdırıcı kodlaşdırma modeli də son beyin inteqratoruna və ya “proqnozlaşdırıcıya” (həmçinin “öz”) ehtiyacı nəzərdə tutur. iyerarxiyanın yuxarı hissəsində. Proqnozlaşdırıcı kodlaşdırma beyin modellərinə görə, proqnozlaşdırma xətası iyerarxiya üzrə aşağı səviyyəli ilkin, unimodal sensor sahələrdən yüksək səviyyəli mücərrəd təsviri ehtiva edən iyerarxiyanın yuxarı hissəsindəki son, multimodal “proqnozlaşdırıcıya” ötürülür. sonra proqnozları aşağı səviyyələrə köçürür [74,75]. Bu şəkildə, beyində ən aşağı tezlikdə salınan DMN, beynin son məlumat inteqratoru kimi çıxış edə bilər, bütün aşağı səviyyəli, əks halda təcrid olunmuş vahidlərdən (daha yüksək tezliklərdə salınan) daxil olan məlumatları qəbul edir və vahid bir vahidə keçir. Ardıcıl, uyğunlaşan davranış yaratmaq üçün özünün proqnozu geri çəkilir (şəkil 4c).

Birlikdə, bu tapıntılar DMN-nin insan beynində yuxarıdan aşağıya nəzarət mexanizmini tətbiq edə biləcəyini göstərir, çünki o, beynin bütün bölgələrindən aşağıdan yuxarıya məlumat alır (daha yüksək tezliklərdə salınır) və öz növbəsində, bu aşağı səviyyələri məhdudlaşdıra bilər. yavaş dalğalı salınımlar, eyni zamanda orqanizmin birliyini (yəni əlaqəli "mən"i) qorumaq üçün sinxron elektrik fəaliyyəti vasitəsilə bütün beyin bölgələrinə vahid çıxışını sürətlə çatdırır. Beləliklə, insanın "mən"i aşağıdan yuxarıya doğru qurula bilər, DMN beyindəki bütün aşağı təşkilat səviyyələrinin son neyron inteqratoru və yuxarıdan aşağıya "quldarı" kimi ortaya çıxır. Əhəmiyyətli olan odur ki, insanın özünə olan bu baxışı DMN-i nəzərdə tutmur edir özünü və ya özünün a şey yerləşir in DMN. Əksinə, bu, özünün davamlı olduğunu göstərir proses DMN davamlı olaraq daxili və xarici sensor məlumatları alır və özünün və dünyanın proqnozlaşdırıcı modelini uyğunlaşdıraraq yeniləyir. Baxmayaraq ki, DMN-ni insan özü ilə birləşdirən sübutlar toplanır, onun dəqiq funksiyası və mexanizmi qeyri-müəyyən olaraq qalır və burada irəli sürülən spekulyativ fərziyyələr həm görüntüləmə, həm də insan beyin fəaliyyətinin manipulyasiyası ilə bağlı çətinliklər səbəbindən sınaqdan keçirilməmiş qalır.

5. Canlı aləmdəki ÖZLƏR

Cnidarians və insanlarda SELFO-ların olması (şəkil 2) sual doğurur: onlar başqa yerlərdə tapılırmı? Artıq qeyd edildiyi kimi, insan beynində olan eyni kortikal salınım tezliyi paylanması indiyə qədər tədqiq edilmiş bütün məməlilərin beyinlərinin qabığında, o cümlədən şimpanze, makaka, qoyun, babun, donuz, it, pişik, dovşan, qvineya donuzları, siçovullarda aşkar edilmişdir. , hamsterlər, gerbillər, siçanlar və yarasalar [61]. Aşağı tezlikli kortikal DMN-ə əlavə olaraq, orta beyin və beyin sapında məməlilər arasında yüksək dərəcədə qorunan və kortikal DMN düyünləri ilə birgə aktiv olan və beləliklə kortikal-subkortikal DMN meydana gətirən subkortikal DMN düyünlərinə dair sübutlar var [72,73,76] ]. Yeni funksional maqnit rezonans görüntüləmə (fMRI) üsullarından istifadə edərək, bu titrəmələrin bütün məməlilərin mərkəzi sinir sistemini əhatə etdiyini göstərən insan, qeyri-insan primat və siçovulların onurğa iliklərində bu yaxınlarda SELFO müşahidə edilmişdir [77-80].

Spontan sinir fəaliyyəti məməlilərə xas deyil. Zebrafish beyinləri, funksiyaları əsasən naməlum olaraq qalmasına baxmayaraq, ultra-yavaş tezlik diapazonu (0,01-0,1 Hz) [81] daxil olmaqla, geniş spektrli spontan salınım tezlikləri yaradır. Müxtəlif tezliklərdə beyin boyu salınımlar, həmçinin güvələr [82], çəyirtkələr [83], su böcəkləri [84], bal arıları [85] və milçəklər [86] daxil olmaqla, geniş həşəratlarda da qeydə alınmışdır. Baxmayaraq ki, bu işin çoxu stimulun yaratdığı fəaliyyətə və daha yüksək tezlikli rəqslərə yönəldilmişdir, milçəklərdə ultrayavaş tezlikli (0,01-0,1 Hz) spontan şəbəkə müəyyən edilmişdir [87], funksiyası hələ müəyyən edilməmişdir. Metazoa nəslinin əsasında ən qədim məlum sinir sistemlərinə malik olan Cnidaria oturur: radial simmetrik sinir şəbəkələri, universal olaraq naməlum funksiyaya malik SELFO-ları yaradır (şəkil 2).b) [2,3]. Beləliklə, dəlillər ölçü və quruluş baxımından əhəmiyyətli fərqlərə baxmayaraq, yalnız bütün məməlilərdə deyil, sinir sistemi olan bütün heyvanlarda SELFO-ların mövcudluğuna işarə edir.

Neyron naqilləri olmayan orqanizmlər haqqında nə demək olar? Bənzər elektrik fəaliyyəti yaradırlarmı? Cavab çox müsbətdir (şəkil 3). Bitkilərin illərdir neyron kimi fəaliyyət potensialı istehsal etdiyi məlumdur [89]. Bununla belə, yeni alətlərdən (GCaMP3s) istifadə etməklə son iş Ərəbidopsis bitki boyu yayılan və uzaq ərazilərdə aşağı axın yara-cavab genlərinin ekspressiyasına səbəb olan yaralara cavab olaraq kalsium vasitəçili fəaliyyət potensialı müşahidə edildikdə bunu daha da aydınlaşdırdı [90]. Stimulla bağlı elektrik fəaliyyətinə əlavə olaraq, bitkilər köklərinin keçid zonalarında da davam edən SELFO nümayiş etdirirlər (şəkil 3).a), bütün zavod üçün təklif olunan məlumat “inteqrasiya mərkəzi” [5,6,88]. Toplanan sübutlar göstərir ki, bitki kökünün keçid zonası dəyişən şərtlərə (məsələn, işıq, temperatur, duz stressi və ya yaralanma) cavab olaraq uzaq gövdə və yarpaqlarda sensor məlumat inteqratoru və motor reaksiyalarının koordinatoru kimi xidmət edə bilər [6,88]. SELFO-ların bu prosesdə hansı rol oynaya biləcəyini müəyyən etmək qalır. Eynilə, bir neçə çoxhüceyrəli göbələklərin spontan, aşağı tezlikli fəaliyyət potensialına bənzər sünbüllər nümayiş etdirdiyi aşkar edilmişdir [7-9]. İlk aşağı tezlikli spontan “fəaliyyət potensialları” göbələklərin yetkin hifalarında müəyyən edilmişdir. Neyrospora crassa 1976-cı ildə hüceyrədaxili elektrodlardan istifadə edərək - bütün orqanizmdə aparılan və aydın funksiyası olmayan potensiallar [8]. İyirmi il sonra, SELFOs hifasında nümayiş etdirildi Pleurotus ostreatusArmillaria bulbosatezliyi müxtəlif stimulların (məsələn, sulfat turşusu, su, səməni ekstraktı və ağac) iştirakı ilə artan və odun stimulu aradan qaldırıldıqda azalan, müəlliflərin belə SELFO-ların cavab olaraq orqanizm boyu ünsiyyət üçün istifadə edilə biləcəyini fərz etmələrinə səbəb olur. dəyişən xarici şəraitə [9]. Bu yaxınlarda, istiridyə göbələyinin qapağına və sapına yerləşdirilən hüceyrədənkənar elektrodlardan istifadə edərək 2018-ci ildə aparılan bir araşdırma (Plevrotus djamor) meyvə gövdəsi də heç bir açıq funksiyası olmayan SELFO-ları aşkar etdi (şəkil 3b), baxmayaraq ki, orqanizm boyu ünsiyyətdə potensial rol yenidən təklif edilmişdir [7].

Şəkil 3. Sinir sistemi olmayan orqanizmlərdə SELFO. (a) Bitkilərin elektrofiziologiyası (Zea mays) bitki köklərində çox elektrodlu massivdən istifadə etməklə tədqiq edilmişdir (solda). Nümunə elektrik qeydi funksiyası məlum olmayan, lakin informasiya inteqrasiyası və kommunikasiyada rolu təklif olunan SELFO-ları (ortada) göstərir [6,88]. Şəkil [5]-də 1d və 2-dən uyğunlaşdırılmışdır. (b) Göbələklərin elektrofiziologiyası (Plevrotus djamor) meyvə gövdələrinin qapağına və sapına yerləşdirilən hüceyrədənkənar elektrodlardan istifadə etməklə tədqiq edilmişdir (solda). Elektrik qeydinin nümunəsi naməlum funksiyanın SELFO-larını (ortada) göstərir. Şəkil [7]-də Şəkil 1b və 3b-dən uyğunlaşdırılmışdır (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). (c) Tək amöbaların elektrofiziologiyası (Xaos xaos) hər iki intra- (V1) və əlavə- (Ex) hüceyrə elektrodları amöba şüşə kamerada stasionar vəziyyətdə saxlanılır (solda). Elektrik qeydinin nümunəsi naməlum funksiyanın SELFO-larını (ortada) göstərir. Şəkil [10]-da Şəkil 4a-nın icazəsi ilə uyğunlaşdırılmışdır. (d) Tək bakteriyaların elektrofiziologiyası (Escherichia coli) floresan genetik kodlu gərginlik göstəricisi PROPS (proteorhodopsin optik proton sensoru) istifadə edərək tədqiq edilmişdir (solda). Zamanla fərdi bakteriyaların floresan intensivliyi naməlum funksiyanın membran potensialında (ortada) kortəbii aşağı tezlikli salınımları göstərir. Şəkil S1 Filminin icazəsi ilə uyğunlaşdırılmışdır və [11]-də Şəkil 2a.

Amma bununla da bitmir. Birhüceyrəli eukaryotik və prokaryotik orqanizmlərdə də spontan aşağı tezlikli elektrik aktivliyi müşahidə edilmişdir. 1964-cü ildə tədqiqatçılar iki şirin su amöbində həm hüceyrədaxili, həm də hüceyrədənkənar elektrodlardan istifadə edərək elektrofizioloji təcrübələr apardılar.Xaos xaosAmoeba proteus) onların sitoplazmik kalium konsentrasiyalarının niyə bu qədər yüksək olduğunu müəyyən etmək üçün. Təəccüblüdür ki, onlar spontan fəaliyyət potensialına bənzər aşağı tezlikli “sünbül potensialları” kəşf etdilər (şəkil 3).c), bu onların əvəzinə bu gözlənilməz hadisələri öyrənməyə sövq etdi. Onlar müəyyən ediblər ki, kortəbii “sünbül potensialları” müxtəlif kimyəvi maddələrlə (məsələn, etil efir, kokain, kalium oksalat, CaCl) modullaşdırıla bilər.2), lakin hüceyrənin davranışına və ya morfologiyasına nəzərəçarpacaq təsir göstərməmiş, onların funksiyasını qaranlıq qoymuşdur [10]. Çoxlu ion kanallarına [91] malik olmasına baxmayaraq, hüceyrə divarları olan çox kiçik hüceyrələrdə ənənəvi mikroelektrodlardan istifadənin çətinliyi səbəbindən bakteriyaların elektrofiziologiyası yaxın vaxtlara qədər məlum deyildi. 2011-ci ildə flüoresan gərginliyə həssas zülalın yaradılması ilk dəfə olaraq bakteriyaların dinamik elektrik xassələrinin vizuallaşdırılmasına imkan verdi və bu, spontan, aşağı tezlikli fəaliyyət potensialına bənzər sünbülləri aşkar etdi. Escherichia coli davranışla açıq şəkildə əlaqəli deyil (şəkil 3d) [11]. Bu yaxınlarda, Bacillus subtilis biofilmlərdə qida mübadiləsini koordinasiya etmək üçün biofilmlərin daxilində və arasında sinxronlaşdırılmış aşağı tezlikli kalium dalğalarının yayılması vasitəsilə uzun mənzilli elektrik siqnalı ilə məşğul olduğu göstərilmişdir [12,13], bu da aşağı tezlikli elektrik rəqslərinin potensial rolunu göstərir. orqanizmin geniş informasiya inteqrasiyası və rabitəsi.

Onların funksiyaları haqqında çox az şey bilinsə də, indiyə qədər tədqiq edilmiş əksər orqanizmlərdə bir növ SELFO var ki, bu da canlı sistemlərdə mühüm rol oynadığını göstərir.

6. Fərziyyə: Elektrik orqanizm təşkilatçıları kimi SELFO

İndiyə qədər biz molekulyar baş təşkilatçının erkən kəşfini nəzərdən keçirdik Hidra, naməlum funksiyaya malik SELFO-ların ən erkən sinir sistemlərində mövcud olduğunu gördük, insan beynindəki SELFO-nun, DMN-nin beyin miqyasında inteqrator və kommunikator kimi fəaliyyət göstərərək insanın özünə necə töhfə verə biləcəyini öyrəndi və SELFO-ların geniş yayılmış varlığını kəşf etdi. digər yüksək fərqli filalarda. Burada mən bu ipləri birləşdirməyə çalışacağam və qısaca fərz edəcəyəm ki, SELFO bütün miqyasda bütün bioloji sistemlərdə bütün orqanizm üçün elektrik informasiya inteqratorları və kommunikatorları ola bilər və onları orqanizmin birliyini və ardıcıl, uyğunlaşma davranışını qorumaq üçün kritik edir. .

Molekulyar baş təşkilatçının kəşfindən bəri Hidra 100 ildən çox əvvəl orqanizmlərin bədənlərini necə qurmaları haqqında çox şey öyrənilmişdir [26,27]. Yəni biz çox şey öyrənmişik məkan biologiya sahəsi - birdən çox müstəqil vahidlərin (məsələn, hüceyrələrdəki zülallar və çoxhüceyrəli orqanizmlərdə hüceyrələr) vahid, struktur bütövlük yaratmaq üçün kosmosda necə əlaqələndirilir. Bununla belə, haqqında çox az şey məlumdur müvəqqəti biologiya sahəsi. Bir dəfə struktur bütöv, bədən qurulub, necədir saxlanılır və necədir fəaliyyət vaxtında razılaşdırılıb? Belə bir bədən çox hissədən necə qurulur hərəkətdavranmaq kimi bir, ardıcıl vahid? Demək olar ki, bütün canlı sistemlərdə SELFO-nun olması bu suallara cavab verməyə kömək edə bilərmi?

(a) Bioloji sistemlərdə SELFO-ların yaranması

Başlamaq üçün, fizikanın bizə daha aşağı miqyasda (məsələn, fərdi H.2O molekulları) daha yüksək miqyasda (məsələn, bir çox H-nin populyasiya səviyyəsində) müxtəlif əmələ gələn xüsusiyyətlərə səbəb ola bilər.2O molekullar). Cansız sistemlərin nümayiş etdirdiyi üç əsas fövqəladə hadisə var: ümumi nizam (su vəziyyətində bərk), ümumi pozğunluq (qaz) və ya onların arasında olan bir şey (maye) [92]. Tarazlığa meylli olan və bu kollektiv vəziyyətlərdən hər hansı birində tapıla bilən cansız sistemlərdən fərqli olaraq, bioloji sistemlər ümumiyyətlə özünü təşkil edən mürəkkəb dinamik sistemlər hesab olunurlar ki, onlar özlərini “arada bir yerdə” kateqoriyasında saxlamağa meyllidirlər. sistemin ən çox çeviklik nümayiş etdirdiyi xaosun kənarı - çox nizamlı və ya sərt deyil, çox nizamsız və ya xaotik deyil [93,94]. “Xaosun kənarında” yaşamağın iki əsas üstünlüyü təklif edilmişdir: sistem vasitəsilə daha çox məlumat axını və nümunənin formalaşması və yayılmasının daha çox sistemdaxili çevikliyi [95].

Geniş potensial dövlət məkanını nəzərə alsaq, bioloji sistemlərin kritik dərəcədə dar bir əməliyyat zolağında özünü necə saxlaması biologiyanın əsas cavabsız suallarından biri olaraq qalır. Bununla belə, yüksək səviyyəli miqyasdan (məsələn, orqanizm) aşağı səviyyələrdəki alt bölmələrə (məsələn, orqanlar, çoxhüceyrəli aqreqatlardakı hüceyrələr, zülallar) yuxarıdan aşağı rəyin mühüm rol oynadığı güman edilir [96-98]. SELFO-ların bioloji sistemləri bu dinamik, yaşayış üçün əlverişli vəziyyət məkanında saxlamaq üçün elektriklə yuxarıdan aşağıya əks əlaqə ilə təmin etməsi mümkündürmü? Əgər belədirsə, onlar aşağı səviyyəli alt bölmələrdən necə yarana bilər? Rəqəmlərin özləri oxşar xarakterə malik olsalar da (şəkil 2 və 3), çox güman ki, onlar müxtəlif növ bioloji sistemlərdə müxtəlif mexanizmlər tərəfindən yaradılır. İndi biz təkhüceyrəli orqanizmlərdə, sinir olmayan orqanizmlərdə və sinir sistemi olan orqanizmlərdə bəzi imkanlara baxacağıq.

Artıq qeyd edildiyi kimi, neyron hüceyrələrin elektrik siqnallarını keçirmə qabiliyyətinə görə unikal olduğuna dair ənənəvi düşüncələrə baxmayaraq, bakteriyalardan tutmuş müxtəlif insan hüceyrələrinə qədər bir çox qeyri-neyron hüceyrələr həddən artıq membran potensialı salınımları və neyron kimi fəaliyyət potensialları şəklində elektrik aktivliyi nümayiş etdirirlər. (şəkil 3) [99–101]. Bu fəaliyyətlərin ümumiyyətlə ionların membran ion kanallarından keçməsi nəticəsində yarandığı düşünülür. Bununla belə, son tədqiqatlar göstərir ki, zülallar elektrik izolyatoru olmaqdansa (uzun müddət düşünüldüyü kimi) onların uyğunluğundan asılı olaraq əhəmiyyətli cərəyan keçirə bilər [102]. Tədqiqatçılar skan edən tunel mikroskopundan istifadə edərək, əvvəllər təsadüfi seçilmiş altı zülalın öz doğma sulu mühitlərində öz qohum liqandlarına bağlandıqda elektrik cəhətdən inert olduqlarını güman etdiklərini nümayiş etdirdilər [102]. Bu tapıntılar zülalların ilk növbədə hüceyrə strukturlarının qurulmasında, kimyəvi reaksiyaların katalizləşdirilməsində və translyasiyadan sonrakı modifikasiya yolu ilə hüceyrələrarası və hüceyrədaxili siqnalların ötürülməsində iştirak etdiyinə dair baxışı çətinləşdirir [103]. Bunun əvəzinə, bu nəticələr zülal modifikasiyalarından çox olduğunu göstərir varlıq siqnal, onlar xidmət edə bilər təsir zülalların konfiqurasiyasını dəyişdirərək cərəyan axınına icazə vermək və ya qadağan etməklə "real" elektrik siqnalı. Beləliklə, zülallar hüceyrəaltı elektrik 'avadanlığı' kimi çıxış edə bilər (şəkil 4a) onların cərəyan keçirmə qabiliyyətinə təsir edən müxtəlif zülal modifikasiyaları əsasında “açılmış” və “qapalı” olan həm “naqillər”, həm də “tranzistorlar” kimi xidmət edir.

Şəkil 4. Həyat boyu elektrik siqnalı. (a) "Aparat"ın (i) konfiqurasiyasından asılı olaraq cərəyan keçirən zülallardan (mavi ox) ibarət ola biləcəyi, zülal modifikasiyaları (məsələn, göstərildiyi kimi fosforlaşma kimi) ilə dəyişdirilə bilən tək hüceyrələrdə elektrik siqnalı. Bu "aparat" hissələri kortəbii aşağı tezlikli elektrikə qədər qidalana bilən daxili (yuxarı sağ dövrə) və xarici (sağ alt dövrə) vəziyyətləri haqqında məlumatları kodlayan elektrik sxemləri yaratmaq üçün hüceyrələr (ii) daxilində müxtəlif şəbəkələrdə yerləşdirilə bilər. Hüceyrənin həm daxili vəziyyətinin (yəni “öz” modeli) və xarici mühitin (yəni “dünya” modeli) mücərrəd təsvirlərini (yəni “proqram”) (iii) yaratmaq üçün üst səviyyədə osilator (SELFO) inteqrasiya olunacaq. Üst səviyyəli SELFO daha sonra aşağı səviyyəli komponentləri əlaqələndirmək və yeniləmək üçün geri qaytara bilər. (b) Eyni ümumi arxitektura növbəti miqyas səviyyəsində qeyri-neyron toxumada tətbiq olunur, burada “aparat” (i) ionların hüceyrəarası (mavi oxlar) zamanı ionların keçməsinə imkan verən boşluq qovşaqları vasitəsilə birləşdirilə bilən qeyri-neyron hüceyrələrə çevrilir. kanallar ionları hüceyrədaxili və ya hüceyrədən kənarda keçirmək üçün fəaliyyət göstərir. Bu "aparat" hissələri, daxili (yuxarı sağ dövrə) və xarici (sağ alt dövrə) vəziyyətləri haqqında məlumatları kodlayan elektrik dövrələri yaratmaq üçün qeyri-neyron toxuma daxilində müxtəlif konfiqurasiyalarda təşkil edilə bilər ki, bu da yuxarı səviyyədə SELFO-ya qədər qidalanır. həm orqanizmin daxili vəziyyətinin (yəni, “öz” modeli) və xarici mühitin (yəni “dünya” modeli) mücərrəd təsvirlərini (yəni “proqram”) (iii) yaratmaq üçün inteqrasiya olunmaq. Üst səviyyəli SELFO daha sonra aşağı səviyyəli komponentləri əlaqələndirmək və yeniləmək üçün geri qaytara bilər. (c) Sinir sistemi olan orqanizmlərdə 'avadanlıq' neyronlara (i) təkmilləşdirilir ki, kimyəvi sinapslara əlavə olaraq, ion kanalları ionları ötürmək funksiyasını yerinə yetirərkən, ionların hüceyrələrarası (mavi oxlar) keçməsini təmin etmək üçün boşluq qovşaqları vasitəsilə birləşdirilə bilər. hüceyrədaxili və ya xarici. Bu 'avadanlıq' hissələri eyni şəkildə SELFO-ya qədər qidalana bilən daxili (yuxarı sağ dövrə) və xarici (sağ alt dövrə) vəziyyətləri haqqında məlumatları kodlayan daha sürətli və daha mürəkkəb elektrik dövrələri yaratmaq üçün sinir toxuması daxilində müxtəlif konfiqurasiyalarda yerləşdirilə bilər. həm orqanizmin daxili vəziyyətinin (yəni “öz” modeli) və həm də xarici mühitin (yəni “dünya” modeli) mücərrəd təsvirlərini (yəni “proqram”) (iii) yaratmaq üçün inteqrasiya ediləcək üst səviyyə. Digər hallarda olduğu kimi, yuxarı səviyyəli SELFO aşağı səviyyəli komponentləri əlaqələndirmək və yeniləmək üçün geri qidalana bilər.

Bu yeni iş 1941-ci ildə [104] Albert Szent-Györgyi tərəfindən irəli sürülmüş köhnə bir fikri dəstəkləyir: yüksək nizamlı quruluşa malik zülallar, kristallar kimi "cansız" materiallara bənzər hüceyrələrdə elektron yarımkeçiricilər kimi çıxış edə bilər. 1980-ci ildə müxtəlif quru zülallarda (məsələn, kazein, BSA, kollagen, lizozim) elektron keçiriciliyi nümayiş etdirən Szent-Györgi də daxil olmaqla, əhəmiyyətli dəstəkləyici sübutlara baxmayaraq, bu nəzəriyyə heç vaxt qüvvədə qalmadı. həm kimyəvi, həm də elektrik modifikasiyalarına [105]. Paralel olaraq, Maykl Berri 1981-ci ildə "maddələr mübadiləsinin elektrokimyəvi modeli" irəli sürdü və burada hüceyrə metabolik yollarının (məsələn, qlikoliz, qlükoneogenez) yalnız aşağıdakılarla izah edilə biləcəyini müdafiə etdi. hər ikisi kimyəvi elektronların və protonların axını olan elektrik axınları vasitəsilə zülallar təkcə membranlarda deyil, bütün hüceyrədə kimyəvi reaksiyaların aparılması üçün çox vacibdir [106-108]. Berri bioloji hüceyrələri iki maddi fazadan ibarət “mikroelektrod massivlərinə” bənzətdi: “bərk hal fazası” (yəni cərəyanı keçə bilən sitoplazmik zülallardan və orqanellərdən ibarət yüksək nizamlı “mikrotrabekulyar qəfəs”) və ətrafdakılar. toplu sulu faza' (yəni cərəyan verə bilən 'elektrolit'). Bu baxımdan, "mikrotrabekulyar qəfəs" kimyəvi reaksiyaları hərəkətə gətirən zülal şəbəkələri və orqanellər arasında və içərisində elektrik cərəyanının keçdiyi "protoneyral şəbəkə" kimi görünür (bu mürəkkəb mövzunun tam müzakirəsi üçün bax [106-108]). ). Bu modelin tam yoxlanılması davam etsə də (bu istiqamətdə daha çox araşdırma tələb edən son araşdırma üçün [109]-a baxın), onların yerli sulu mühitlərində zülallar daxilində elektron keçiriciliyin son nümayişi ona əlavə dəstək verir [102].

Ümumilikdə, bu iş hüceyrələrin elektrik xassələrinin sitoplazmanın “sulu fazası” daxilində ion axını ilə idarə olunan dəyişən elektrik mühitinə daxil edilmiş elektrik dövrələri yaratmaq üçün bir-birinə bağlanan zülallarla olduqca mürəkkəb və dinamik ola biləcəyini göstərir [106-108]. . Müxtəlif kimyəvi və elektrik modifikasiyaları ilə müşahidə edilən zülal keçiriciliyindəki dəyişiklikləri nəzərə alsaq [102,105,108], zülal “telləri” vasitəsilə ötürülmənin yüksək dinamik olması və ətrafdakı kimyəvi və elektrik mühitinə cavab verməsi gözlənilir. Belə mürəkkəb elektrik mənzərəsi hüceyrələr daxilində məməlilərin beyinlərində olanlara bənzər mürəkkəb elektrik salınım tezliyi strukturu yaratmaq üçün kifayət ola bilər (şəkil 4). Əgər bu təklif uzaqdan düzgündürsə, elektrik cərəyanlarını keçən bir çox zülalın və sitoplazmada hərəkət edən ionların kompleks qarşılıqlı təsiri nəticəsində hüceyrədaxili səviyyədə aşağıdan yuxarıya doğru SELFO meydana gələ bilər. Belə bir SELFO, öz növbəsində, eyni aşağı səviyyəli alt bölmələri əlaqələndirmək və məhdudlaşdırmaq üçün geri qidalana bilər.

Sinir sistemi olmayan çoxhüceyrəli orqanizmlərdə artan dəlillər göstərir ki, somatik hüceyrələr arasında elektrik əlaqəsi (bu miqyasda elektrik 'texniki', şəkil 4)b) hər ikisi baş verir birbaşa, hüceyrə-hüceyrə boşluğu qovşaqları vasitəsilə ion axını vasitəsilə və dolayı yolla, ion kanalları vasitəsilə hüceyrədənkənar ion axını vasitəsilə [14,101]. Gördüyümüz kimi, hüceyrələrarası elektrik əlaqəsi bakterial biofilmlərdə mövcuddur, kalium ionları tək bakteriya hüceyrələrindən çıxarılır və qonşu hüceyrələrin membran kalium kanalları vasitəsilə hüceyrədənkənar kaliumun sərbəst buraxılmasına səbəb olur və beləliklə, içəridən yayılan uzun mənzilli kalium dalğası yayılır. biofilmin periferiyaya doğru uzanması [12,13]. Bu cür biofilm boyu aşağı tezlikli elektrik rəqslərinin kortəbii yaranması indi riyazi olaraq modelləşdirilmiş və qrup daxilində fərdi bakterial hüceyrə reaksiyalarını koordinasiya etmək üçün elektrik siqnalı vasitəsilə uzun məsafəyə ötürülən bakterial metabolik stressin mürəkkəb qarşılıqlı təsirindən yarandığı göstərilmişdir [110]. ]. Beləliklə, başlanğıcdan belə görünür ki, aşağı tezlikli elektrik rəqslərinin qeyri-neyron hüceyrələr qrupları arasında mürəkkəb qarşılıqlı təsirlərdən kortəbii olaraq meydana gəlməsinə imkan verən mexanizmlər var idi, sonra koordinasiya və sistem daxilində "yuxarıdan aşağıya" mexanizm kimi xidmət edir. aşağı səviyyəli komponentləri məhdudlaşdırın.

Bakterial biofilmlərdə tapılan uzun məsafəli hüceyrədənkənar elektrik kalium dalğalarına əlavə olaraq, artan dəlillər çoxlu sayda qeyri-neyron orqanizmlərdə hüceyrələr arasında həm hüceyrədənkənar, həm də hüceyrələrarası elektrik rabitəsinin baş verdiyini göstərir [14,101]. Hər bir hüceyrə tipinin özünəməxsus istirahət membran potensialına malik olduğu güman edilir ki, bu da əksər hallarda zamanla salına bilər [101]. Beləliklə, bu qeyri-neyron hüceyrələri hüceyrə-hüceyrə boşluğu qovşaqları vasitəsilə birləşdirərkən, bu eşikaltı membran potensialı rəqsləri somatik hüceyrədən somatik hüceyrəyə ötürülə bilər və hüceyrələrin necə bağlanmasından asılı olaraq bütün orqanizmdə fərqli elektrik dövrələri yarada bilər (şəkil 4).b) [111]. Bədəni əhatə edən bu həddaltı membran potensial dövrələrinin həm ümumi bədən quruluşunun inkişafında, həm də saxlanmasında kritik rol oynadığı göstərilmişdir və orqanizmlərin bir çox hissələrini koordinasiya etmək üçün istifadə etdiyi digər potensial “yuxarıdan aşağıya” mexanizm kimi təklif edilmişdir [14,112]. Toxuma zədələndikdən sonra, məsələn, bütün orqanizmin elektrik siqnallarının modulyasiyası görünür qabaqlayır molekulyar siqnallardakı dəyişikliklər, daha sürətli elektrik siqnallarının, ehtimal ki, daha yavaş molekulyar komponentləri koordinasiya etdiyini və məhdudlaşdırdığını göstərir [113]. Bu iş orqanizmlərin daha yüksək miqyasda (məsələn, dövrə səviyyəsi) elektrik fəaliyyətinə təsir edən hüceyrəaltı molekulyar komponentlər (məsələn, ion kanalları və boşluq qovşaqları) arasında davamlı kompleks geribildirim dövrəsi vasitəsilə bədənlərini qurmağı və saxlamağı təklif edir. molekulyar komponentlərin həm transkripsiyasına, həm də davranışına təsir göstərir [14]. Beləliklə, "baş təşkilatçının" [27] kəşfindən bəri inkişaf biologiyasında yaxşı qurulmuş klassik molekulyar qradientlərə əlavə olaraq, ehtimal ki, aşağı səviyyəli molekulyar komponentlərdən yaranan elektrik aktivliyi qradiyenti var. eyni molekulyar komponentləri əlaqələndirməyə və məhdudlaşdırmağa xidmət edə bilər. Qeyri-neyron orqanizmlərdə həm hüceyrəaltı, həm də hüceyrə miqyasında bir çox əsas alt bölmələrin mürəkkəb qarşılıqlı təsirini nəzərə alsaq, bu qarşılıqlı təsirlərdən neyron kimi fəaliyyət potensialını yaradan bir SELFO meydana çıxa bilər ki, bu da məlumat orqanizmi ilə daha sürətli bir şəkildə əlaqə qurur. həm bitkilərdə [5,6], həm də göbələklərdə [7-9] müşahidə edildiyi kimi (şəkil 3).

Nəhayət, orqanizmlərdə SELFO necə yarana bilər ilə sinir sistemləri? Neyronlar uzun müddətdir ki, biologiyada ən səmərəli elektrik 'avadanlığı' hesab edilir, uzun, birölçülü "boruları" (yəni aksonlar) vasitəsilə cərəyanı sürətlə keçirir və həm boşluq qovşaqları, həm də kimyəvi sinapslar vasitəsilə dövrələrə qoşulur (şəkil 4).c). Bu hissələrdən istifadə edərək, Passano ilk olaraq yarım əsr əvvəl cnidarian sinir sistemi üçün təklif etdiyi kimi, bütün məməlilərin beyinlərində müşahidə olunan yüksək qorunan salınım tezliyi strukturunun "kardiostimulyatorlar iyerarxiyası" kimi meydana çıxa bilər [2,3]. Əksər neyronlar daxili kardiostimulyator fəaliyyəti nümayiş etdirir [114,115]. Yəni, mədəniyyətdə təcrid olunduqda, bir çox müxtəlif sinir sistemlərindən olan neyronlar müxtəlif tezliklərdə davamlı, kortəbii elektrik rəqsləri nümayiş etdirirlər. Klassik Huygensin saat təcrübəsinə görə [116], əgər siz oxşar tezlikli iki osilatoru birləşdirsəniz, onlar sinxronlaşacaq və birlikdə salınmağa başlayacaqlar. Bir çox öz-özünə salınan tək neyronlar bir-birinə bağlıdırsa, onların eyni tezlikdə salınan kortəbii olaraq osilator qruplarını (yəni ansambllar) meydana gətirə biləcəyini güman etmək məqsədəuyğundur. Bu yolla, bütün forma və ölçülərdə olan sinir sistemləri kortəbii olaraq daha yüksək səviyyəli strukturlara (yəni müxtəlif tezliklərdə salınan müxtəlif ölçülü ansambllara) çevrilərək sistemdəki ən böyük, ən yavaş osilatorun işləyə biləcəyi “kardiostimulyatorların varisliyi” yarada bilər. bütün kiçik, daha sürətli osilatorların koordinasiyasına və məhdudlaşdırılmasına xidmət edir (şəkil 4c).

(b) Bioloji sistemlərdə SELFO-ların funksiyası

SELFO-ların bioloji orqanizmlər daxilində müxtəlif mexanizmlər vasitəsilə aşağıdan yuxarı necə meydana çıxa biləcəyini nəzərdən keçirdikdən sonra, indi onların nə edə biləcəyini daha ətraflı araşdıracağıq. Burada mən canlı sistemlərdə SELFO-ların üç potensial funksiyasını təklif edirəm: (i) onların kritik nöqtəsində və ya yaxınlığında saxlanılması, (ii) sistemdəki bütün aşağı səviyyəli elektrik məlumatlarının inteqrasiyası və (iii) bu yüksək səviyyəli məlumatların davamlı olaraq ötürülməsi. Ardıcıl, uyğunlaşan davranış yaratmaq üçün sistemin ümumi vəziyyəti ilə bağlı onları həm əlaqələndirmək, həm də yeniləmək üçün tərkib komponentlərinə "baxış" edin. Bu potensial funksiyaların hərtərəfli təhlili bu məqalənin əhatə dairəsindən kənarda olsa da, hər biri aşağıda qısaca araşdırılacaqdır.

(i) SELFO-lar bioloji sistemləri kritikliyə yaxın saxlayırlar

Qeyd edildiyi kimi, SELFO-ların bir işi, sistem vasitəsilə optimal məlumat axınına və optimal çevikliyə imkan vermək üçün yavaş dalğalı elektrik rəqsləri vasitəsilə "yuxarıdan aşağıya" məhdudlaşdırmaqla, orqanizmləri dövlət məkanında "kritik nöqtəsində" və ya yaxınlığında saxlamaq ola bilər. nümunənin formalaşması və yayılması [95]. Bu xüsusiyyətlər canlı sistemlər üçün necə faydalı ola bilər? Bir çox hüceyrəaltı komponentləri (məsələn, zülallar) ehtiva edən tək hüceyrələrə nümunə götürün. Bir stəkan su kimi, yuxarıda müzakirə edildiyi kimi, hüceyrənin tərkib hissələrinə görə üç ümumi konfiqurasiya ola bilər: ümumi nizam (dəyişməz vəziyyətdə qalmış zülallar), ümumi pozğunluq/xaos (zülallar təsadüfi hərəkət edir), və 'arada bir yerdə' (zülallar "naxışlar" əmələ gətirir - faydalı strukturlar yaratmaq üçün bir-birinə bağlanır - bu nümunələr dağılmadan əvvəl müəyyən bir müddət ərzində) [94]. Hüceyrə ətraf mühitə ən uyğunlaşa bilmək üçün zülalların əmələ gətirdiyi nümunələrin faydalı ola bilmələri üçün kifayət qədər müddət saxlandığı, lakin sona çatacaq qədər uzun müddət saxlanmadığı "arada bir yerdə" vəziyyətdə qalaraq ən yaxşısını edər. sabit, adaptiv olmayan vəziyyətdə (bütün zülallar bir konfiqurasiyada ilişib qalmış, yəni hüceyrə ölümü ilə) [93].

Bu üstünlük qeyri-neyron və sinir orqanizmlərinə də aiddir və ən yaxşı insan beyni baxımından başa düşülür ki, bu da özünü kritiklik yaxınlığında saxladığı güman edilir [117]. Maraqlıdır ki, sübutlar göstərir ki, insan beynindəki SELFO, yəni DMN sistemi kritik nöqtəyə yaxın saxlaya bilər, çünki DMN-nin pozulması sinir fəaliyyətinin daha nizamsız və xaotik olduğu daha çox "maye" beyin vəziyyətlərinə səbəb olur. psixi və psixotik vəziyyətlərlə [57,118,119]. Əksinə, həddindən artıq aktiv DMN fəaliyyəti sinir fəaliyyəti nümunələrinin daha nizamlı olduğu daha çox "ilişib" beyin vəziyyətləri ilə nəticələnir, bu da geviş və narahat və ya depressiya halları ilə əlaqələndirilir [57,117,120-122]. Tamamilə nizamlanmış bir beyin, ya bütün neyronların söndürüldüyü (yəni beyin ölümü) və ya bütün neyronların sinxron şəkildə işə düşdüyü (yəni tutma) bir beyin olardı - bunların heç biri orqanizm üçün çox faydalı bir vəziyyət deyil. Beləliklə, SELFO-lar həm optimal məlumat axınına, həm də çox nizamlı və ya çox nizamsız olmayan nümunənin formalaşmasına imkan vermək üçün bioloji sistemləri kritik nöqtəsinə yaxın saxlamağa xidmət edə bilər.

(ii) bütün orqanizmin informasiya inteqratorları kimi SELFO

SELFO-ların canlı sistemlərdə oynaya biləcəyi ikinci rol bütün orqanizmi əhatə edən elektrik məlumat inteqratorlarıdır. Müzakirə edildiyi kimi, bütün bioloji sistemlər həm strukturunu (yəni bədənini) qoruyub saxlaya bilən, həm də ardıcıl, uyğunlaşan davranış yaratmaq üçün hərəkət etdirə bilən vahid bütövlük yaratmaq üçün daim əməkdaşlıq etməli olan bir çox daim dəyişən hissələrdən ibarətdir. Bu o deməkdir ki, sistemin müəyyən hissəsi sistem daxilindəki bütün məlumatlara dolayı yolla olsa da, çıxış əldə etməlidir. Heç bir alt bölmə (məsələn, hüceyrədəki tək molekul və ya orqanizmdəki tək hüceyrə) sistemdəki bütün məlumatlara çıxış əldə edə bilməz - bu, miqyasın səhv səviyyəsidir [123]. Bununla belə, həmin aşağı səviyyəli komponentlər tərəfindən yaradılan və beləliklə, daha yüksək miqyasda işləyən SELFO, nəzərdən keçirildiyi kimi, sistemdəki bütün aşağıdan yuxarı elektrik məlumatlarını inteqrasiya etməklə, prinsipcə, bütün aşağı səviyyəli alt bölmələr haqqında məlumat ala bilər. Yuxarıdakı 4-cü Bölmədə və Şəkil 4-də təsvir edilmişdir. Beləliklə, SELFO-lar bioloji sistemlərdə son inteqratorlar kimi çıxış edə bilər, bu da bütün aşağı səviyyəli elektrik məlumatlarını "yuxarıya" göndərilən hər iki daxili sistemin mücərrəd təsvirlərinin getdikcə daha yüksək səviyyələrində birləşdirə bilər. sistemin vəziyyəti və sistemin qarşılaşdığı xarici mühit. Beləliklə, SELFO nəticədə həm orqanizmin (yəni onun "mən"i), həm də ətrafının (yəni "dünyasının") bütün ən yüksək səviyyəli mücərrəd təsvirlərini qəbul edib "görəcək", beləliklə, vahid "mən"i formalaşdıracaq. /'dünya' modeli (şəkil 4).

Bu baxış beləliklə, SELFO-nun bütün sistemdən davamlı olaraq aşağıdan yuxarı elektrik məlumatlarını qəbul edə biləcəyini və daha sonra orqanizmin və ətraf mühitin bir kamera kimi bir "şəklini" çəkməzdən əvvəl onun tezliyinə əsasən müəyyən bir zaman pəncərəsində inteqrasiya edə biləcəyini göstərir. çip şəkil çəkməzdən əvvəl müəyyən bir ekspozisiya müddətində fotonları birləşdirir. Maraqlıdır ki, bioloji SELFO-lar ardıcıl salınım tezliklərini qoruyub saxlamırlar. Daha doğrusu, onlar müxtəlif stimullara cavab olaraq tezliklərini dəyişirlər [2,6,7], yuxarıda sulfat turşusu, su, səməni ekstraktı və ağaca cavab olaraq öz SELFO-larının tezliyini artıran göbələklər halında müzakirə edilmişdir. odun stimulu aradan qaldırıldıqda onların tezliyini azaldır [9]. Beləliklə, ola bilər ki, hər bir bioloji sistemdəki SELFO-ların hər bir orqanizmin özünəməxsus makiyajı ilə müəyyən edilən spesifik baza tezlik diapazonu var ki, bu diapazonda orqanizmlər müəyyən orta diapazonlu “əsas xətt” SELFO tezliyini qoruyub saxlaya bilər, bu tezlik həm daxili, həm də təsirlərə cavab olaraq dəyişdirilə bilər. xarici giriş. Məsələn, əgər orqanizm istirahətdədirsə və hər şey həm daxildə, həm də xaricdə gözlənildiyi kimi olarsa, SELFO daha uzun müddət ərzində inteqrasiya edə bilər (yəni "mən"i ilə ətraf mühitin şəkilləri arasında daha çox gözləyə bilər) və beləliklə, "mən"ini yeniləyə bilər. '/'dünya' modeli daha az tez-tez olur, çünki çox şey dəyişmir. Bununla belə, əgər orqanizm gözlənilməz bir şeylə qarşılaşarsa (məsələn, yırtıcı yaxınlıqdadır) SELFO öz temporal rezolyusiyasını artırmaq və özünü yeniləmək üçün daha qısa müddət ərzində inteqrasiya edə bilər (yəni “məninin” və ətrafının daha tez-tez şəkillərini çəkə bilər). '/'dünya' modeli daha sürətli dəyişikliyə məruz qaldığından daha tez-tez olur.

SELFO tezliyinin daxili və xarici girişə əsaslanaraq tənzimlənməsinin digər potensial nəticəsi sistemin dövlət məkanında mövqeyinin eyni vaxtda modulyasiyası ola bilər ki, SELFO tezliyinin aşağı salınması (yəni onun inteqrasiya vaxtının artırılması) daha “maye” sistemlə nəticələnə bilər. gözlənilən vəziyyətdə 'istirahət edir' və SELFO tezliyinin artırılması (yəni onun inteqrasiya vaxtının azalması) gözlənilməz və ya 'stressli' vəziyyətdə olduqda daha çox 'sıxılmış' və ya 'bərk' sistemlə nəticələnə bilər.

(iii) SELFO-lar bütün orqanizm üçün sinxronizatorlar və kommunikatorlar kimi

Orqanizmdəki bütün elektrik məlumatlarını qəbul etməklə yanaşı, SELFO-ların xidmət edə biləcəyi üçüncü funksiya, onları əlaqələndirmək və məhdudlaşdırmaq üçün bütün orqanizm boyu sinxron atəş vasitəsilə bu cür inteqrasiya olunmuş, yüksək səviyyəli məlumatları aşağı səviyyəli hissələrinə ötürməkdir. İdeal olaraq, eyni siqnal hər bir komponentə eyni vaxtda çatacaq ki, SELFO orqanizmin bütün hissələri vaxtında koordinasiya etməsi üçün “master saat” rolunu oynaya bilsin. Əgər bioloji sistemlər kritiklik səviyyəsində və ya ona yaxındırsa, sistem vasitəsilə məlumat axını optimal olardı və SELFO sistem miqyasında məlumatı ən sürətlə qəbul edə və göndərə bilər [95]. Bununla belə, ardıcıl zamanlama cihazlarını təmin etmək üçün müntəzəm rəqsləri saxlamaq üçün dəqiq şəkildə hazırlanmış adi maşın saatlarından fərqli olaraq [124], bioloji orqanizmlərdə tapılan SELFO 'master saatı' daxili və xarici girişə əsaslanaraq daim öz tezliyini dəyişdirir [2, 6,7,9,10], əvvəllər müzakirə edildiyi kimi. Beləliklə, zaman ölçmə cihazı kimi xidmət etməklə yanaşı, SELFOs/bioloji “master saatlar” öz tezliklərini dəyişdirərək (yəni saat intervallarını dəyişdirərək) sistemin vəziyyəti haqqında məlumat ötürə bilər. Beləliklə, SELFOs/bioloji “master saatlar” xaricdən tənzimlənməli olan radiolar kimi maşınlardakı tənzimlənən osilatorlardan fərqli olaraq, öz daim dəyişən komponentləri ilə daxildən tənzimlənən daxili tənzimlənən osilatorlar (yəni tənzimlənən saatlar) kimi görünür [124].

Bu cür özünəməxsus uyğunlaşa bilən SELFO/bioloji “master saat” orqanizmə yuxarıda qismən nəzərdən keçirildiyi kimi, eyni vaxtda üç əsas parametri tənzimləməyə imkan verəcək: (i) onun inteqrasiya müddəti (yəni aşağıdan yuxarı məlumatı “oxuması” onun 'özünün' və 'dünyasının' 'snapshot'ını əldə etmək, (ii) dövlət məkanındakı mövqeyi (yəni sistemin nə qədər "maye" və ya "sərt" olduğu) və (iii) onun nə qədər tez-tez yenilənəcəyi onun aşağı səviyyəli komponentləri. Yuxarıda müzakirə edildiyi kimi, əgər orqanizm istirahətdədirsə və hər şey gözlənildiyi kimidirsə, o, nəinki “öz” / “dünya” modelini daha az inteqrasiya və yeniləmək, həm də enerjiyə qənaət etmək üçün aşağı səviyyəli komponentlərini daha az tez-tez yeniləmək istəyə bilər. çünki atəş potensialı enerji baxımından bahadır [47].Alternativ olaraq, əgər orqanizm gözlənilməz bir şeylə qarşılaşarsa, o, təkcə yuxarıda göstərildiyi kimi "öz"/"dünya" modelini inteqrasiya etmək və yeniləmək üçün deyil, həm də potensial daxili potensial barədə xəbərdar etmək üçün aşağı axın komponentlərini daha tez-tez yeniləmək üçün atəş sürətini artıra bilər. və ya sistemdə və ya onun mühitində xarici dəyişikliklər. Beləliklə, SELFO-nun sinxron atəşi orqanizmin birliyini təmin etmək üçün yalnız yuxarıdan-aşağıya alt-komponent koordinasiyasını təmin edə bilməz, həm də onun tezliyindəki dəyişikliklər vasitəsilə sistemin ümumi vəziyyəti haqqında məlumat verə bilər - davam edən alt hissənin nəticəsi olan dəyişikliklər. onun bütün tərkib hissələrindən -up girişi, beləliklə, onu yüksək dərəcədə uyğunlaşa bilən daxili tənzimlənən osilator/'master saat' edir.

7. Nəticə

Yuxarıda təsvir edilən şəkil çox spekulyativdir. Bununla belə, izah edilməli real bir fenomen var - məməlilərdə yüksək dərəcədə qorunan SELFO-lar Cnidaria və indi bitkilər və təkhüceyrəli orqanizmlər də daxil olmaqla bir çox geniş şəkildə fərqlənən filalarda dəfələrlə "kəşf edilib". Bu günə qədər, bu fəaliyyət zəif məkan və müvəqqəti qətnamə ilə insan neyroimaging tədqiqatları xaricində az diqqət çəkdi.

Bütün sinir sistemi hal-hazırda eyni vaxtda davranarkən tək hüceyrəli qətnamə ilə təsvir edilə bilən yeganə heyvan kimi [1], Hidra bu araşdırmada mühüm rol oynayacaqdır. olub olmadığı bəlli deyil Hidra SELFO, onun RP1 şəbəkəsi "istirahətdə" aktivdir, həmçinin son işdə (şəkil 1) təklif edildiyi kimi davranışın (uzadma) yaradılmasında iştirak edir, çünki RP1 fəaliyyəti ilə uzanma arasında açıq bir əlaqə yox idi və bu, müəlliflərin daha çox bu barədə fərziyyə etməsinə səbəb oldu. birbaşa daha yaradan davranış, RP1 sensor məlumat və inteqrasiya xidmət edə bilər əlaqələndirmək davranış [1]. Bu, RP1 aktivliyinin (tezliyi, amplitudası və fazası) müxtəlif davranışlar zamanı və "istirahət" zamanı dəqiq ölçülə biləcəyi şirin su polipinin sonrakı yüksək rezolyusiyalı tədqiqatlarında sınaqdan keçirilə bilən mühüm fərqdir. Hidra SELFO yalnız davranış yaratmayan proseslərdə (yəni “istirahət” və davranış koordinasiyası) iştirak edir və ya birbaşa davranışın yaranmasında rol oynayır. ilə əlaqəsi ilə yanaşı Hidra davranış, RP1 fəaliyyətinin digər neyron şəbəkələri ilə əlaqəsi də ciddi şəkildə qiymətləndirilə bilər ki, o, həqiqətən də onları əlaqələndirib, koordinasiya edir və əgər belədirsə, dəqiq necə. Ən qəti təcrübə işin pozulması olacaq Hidra Optogenetik, farmakoloji və ya fiziki vasitələrlə SELFO. SELFO-ların potensial rolu ilə bağlı yuxarıda göstərilən fərziyyələrə əsaslanaraq iki əsas tapıntı gözlənilir: (i) daha çox “narahat” Hidra sistemi kritik vəziyyətdə və ya ona yaxın saxlamaq üçün "yuxarıdan aşağı" əks əlaqənin itirilməsi nəticəsində sinir sistemi və (ii) orqanizmin birliyini qorumaq üçün tələb olunan bütün orqanizmin elektrik məlumat inteqrasiyası və əlaqəsinin itirilməsi səbəbindən daha az əlaqələndirilmiş davranış.

Funksiya itkisi təcrübələrinə icazə verməklə yanaşı, Hidra qönçələnmə ilə aseksual çoxaldığı üçün SELFO-ların təbii inkişafını və funksiyasını öyrənmək üçün unikal şəkildə uyğun gəlir [125]. Bu, eyni sinxron SELFO-nu paylaşarkən (yəni, eyni elektrik orqanizm təşkilatçısını paylaşarkən) birdən çox cismin (yəni, bir-birinə bağlı olan qönçələr və valideynlər) bir ardıcıl orqanizm kimi necə fəaliyyət göstərə biləcəyini və sonradan çoxlu əlaqələndirilməyən, fərdi orqanizmlər kimi fəaliyyət göstərə biləcəyini öyrənməyə imkan verir. (hələ fiziki olaraq bağlı olsa da) asinxron, ayrı SELFO-ların inkişafı ilə (yəni iki ayrı elektrik orqanizm təşkilatçısı). Hidra həm də diqqətəlayiq regenerativ qabiliyyətlərə malikdir [20], bu strukturlarda koordinasiyalı və koordinasiya olunmamış fəaliyyətin necə ortaya çıxa biləcəyini araşdırmaq üçün bütün forma və ölçülərdə heyvanların müxtəlif sayda neyron və SELFO ilə yaradıla biləcəyi saysız-hesabsız kəsmə və peyvənd təcrübələrinə imkan verir (məs. Hidra çox başlı, çox ayaqlı, başsız, ayaqsız və ya bunların hər hansı bir kombinasiyası ilə). Yalnız etmir Hidra kəsildikdə regenerasiya edir, eyni zamanda tamamilə dissosiasiya olunmuş tək hüceyrələrdən yeni bütöv bir heyvan əmələ gətirir [126], SELFO-ların meydana gəlməsini və ayrı-ayrı elementlər qrupu daxilində orqanizm boyu koordinasiyanı öyrənməyə imkan verir. Nəhayət, böyüklər Hidra daim özünü yenidən qurur, hər 20 gündən bir bütün hissələrini çevirir [127], bu da orqanizmin öz bədənini, sinir sistemini və ÖZÜNÜ necə saxladığını və daim dəyişən komponentlərə baxmayaraq ardıcıl davranışını öyrənməyə imkan verir.

kəşf edildiyi gündən Hidra 300 ildən çox əvvəl, bu sadə heyvan bizə bioloji sistemlər haqqında çox şey öyrətdi - ilk növbədə, orqanizmlərin molekullardan istifadə edərək bədənlərini necə qurduqları. İndi, Hidra 1960-cı illərdə ilk kəşflərindən bəri 'sirli' SELFO'ların pusquda durduğu sinir sisteminin sirlərini açmağa başlayır. Şerrinqtondan [45] miras qalmış dominant giriş-çıxış paradiqmasında bu cür kortəbii sinir fəaliyyətinin diqqətdən kənarda qalması təəccüblü deyil. İnsan beynində bu yaxınlarda gözlənilməz SELFO olan DMN kəşfi sinir sistemlərinin belə bir “refleks” modelinin əsaslı şəkildə nəzərdən keçirilməsini tələb etdi və endogen sinir fəaliyyətinə marağı yenidən alovlandırdı. Kəşf edildiyi gündən etibarən DMN insanlarda “mən”lə getdikcə daha çox əlaqələndirilir, potensial olaraq beyin miqyasında inteqrator kimi çıxış edir, lakin onun dəqiq funksiyası və mexanizmi insan beyninin təsviri və manipulyasiyasının məhdudiyyətləri nəzərə alınmaqla qaranlıq qalır. Maraqlıdır ki, insan DMN-də tapılan eyni növ kortəbii elektrik aktivliyi həyat boyu yüksək dərəcədə qorunub saxlanılır. SELFO-ların geniş yayılması onların bütün miqyasda bioloji sistemlərdə bütün orqanizmin inteqrasiyasında və kommunikasiyasında mühüm rol oynaya biləcəyini göstərir və onların daha eksperimental olaraq idarə oluna bilən sistemlərdə öyrənilməsinə qapı açır. Hidra. Biologiyanın bütün tarixində olduğu kimi, bu bazal heyvan bizə canlı sistemlərin başqa bir əsas aspekti haqqında bir daha öyrətməyə hazırdır: bu dəfə orqanizmlərin elektrik enerjisindən istifadə edərək ahəngdar, uyğunlaşan bütövləri necə yaratması və saxlaması. -də əldə edilən anlayışlar Hidra, əvvəllər olduğu kimi, bakteriyadan tutmuş insanlara qədər bütün miqyasda bioloji sistemlərə tətbiq oluna bilər və psixiatriya, nevrologiya və potensial olaraq şişlərin yaranması üçün mühüm təsirlərə malikdir.


Nəticələr

Atəş nümunələrindən atəş nümunəsi fenotiplərinə qədər

Hippocampome.org-un 1.3-cü versiyasında morfoloji cəhətdən müəyyən edilmiş 122 neyron növündən 90-ı üçün uyğun elektrofizioloji qeydlər var. Bu rəqəmləşdirilmiş məlumatlara atəş nümunəsinin identifikasiyası alqoritminin tətbiqi 23 müxtəlif atəş nümunəsinin aşkarlanması ilə nəticələndi. Müəyyən bir neyron növü müxtəlif stimullara və ya şərtlərə cavab olaraq fərqli atəş nümunələri nümayiş etdirə bilər. Müəyyən bir neyron növü tərəfindən nümayiş etdirilən atəş nümunələri dəsti onun atəş nümunəsi fenotipini təşkil edir.

Ən sadə hal eksperimental şəraitdən və ya stimullaşdırma intensivliyindən asılı olmayaraq sistematik olaraq eyni atəş nümunəsini nümayiş etdirən neyron növlərindən ibarətdir. Bu neyron növləri hələ də müxtəlif amplitudalı stimullara kəmiyyətcə fərqli reaksiyalar göstərə bilər (adətən stimullaşdırmanın artması ilə onların atəş tezliyini artırır), lakin onların keyfiyyətcə atəş nümunələri eyni qalır. Hippocampome.org saytında NASP fenotipi 37 olan DG Basket hüceyrələrinin nümunəsi kimi 37 belə “fərdi/sadə davranış növlərini” müəyyən etdik.

Yuxarıdakı ssenaridən fərqli olaraq, müəyyən neyron növləri müxtəlif stimullaşdırma amplitüdlərinə cavab olaraq keyfiyyətcə fərqli atəş nümunələri nümayiş etdirir. Biz məsələn, 20 belə “çox davranışlı” tipləri müəyyən etdik, medial EC Layer V-VI Piramidal-Polimorfik hüceyrələr gecikmiş uyğunlaşmayan və uyğunlaşan sünbüllər nümayiş etdirir 14 və ya CA1 Neurogliaform proyeksiya edən hüceyrələr 30 müxtəlif stimullara uyğunlaşan sünbül və davamlı kəkələmə nümayiş etdirir. Beləliklə, bu neyronların atəş fenotipləri iki atəş nümunəsinin birləşməsindən ibarətdir.

Fərqli hallarda, eyni morfoloji olaraq müəyyən edilmiş tipdən olan neyronların alt qrupları eyni stimullaşdırmaya cavab olaraq eyni eksperimental şəraitdə (adətən eyni tədqiqatdan) fərqli atəş nümunələri nümayiş etdirir. Beləliklə, bu neyron növləri elektrofizioloji alt tiplərə bölünə bilər. Məsələn, CA3 Spiny Lucidum interneuronlarından bəziləri uyğunlaşan sünbüllər, digərləri isə davamlı kəkələyənlərdir 38. Müəyyən neyron növlərində, bir və ya bir neçə alt növ müxtəlif stimullaşdırma intensivliyində bir çox davranış nümayiş etdirə bilər. Məsələn, entorinal Layer III Piramidal neyronların alt çoxluğu uyğunlaşa bilməyən spikerlərdən və reobazada ASP.NASP-dən RASP.ASP-ə keçidlərdən ibarətdir. daha yüksək stimullarda 14. Hippocampome.org-da atış nümunələri olan 90 neyron növündən 22-si 52 elektrofizioloji alt tipə bölünə bilər. Xüsusilə, bunlara hipokampal formalaşmanın əksər alt bölgələrinin əsas neyronları daxildir: CA3, CA1 və subikulum Piramidal hüceyrələr, entorhinal Spiny Stellate hüceyrələri, həm də dişli Ümumi Molekulyar Layer (TML) hüceyrələri kimi bir neçə GABAergic interneurons 39 . Konkret olaraq, 8 neyron növü 11 neyron növü üçün müstəsna olaraq tək davranış nümayiş etdirən 18 alt tip əldə etdi, alt növlərdən ən azı biri çox davranış nümayiş etdirdi, nəticədə 13 çox davranışlı alt tip və 13 əlavə tək davranış alt növü meydana gəldi.

Bu meta-analiz, elektrofizioloji məlumatların çıxarıldığı nəşr edilmiş ədəbiyyatda istifadə edilən müxtəlif eksperimental şərtlərlə çətinləşir. Materiallar və üsullardakı bir neçə fərq ümumi növlərdən (siçovullara qarşı siçanlara) və ya qeydlərə (yamaq sıxacına qarşı mikroelektrod) yuxarıda və kənarda atəş nümunələrinə təsir göstərə bilər. Məsələn, eksperimental izlərin 30%-i eninə dilimlərdən, 24%-i üfüqi, 8%-i koronal, 29%-i qarışıq (məsələn, “üfüqi və ya yarımkoronal”) və 9%-i digər istiqamətlərdən (məsələn, xüsusi açılar) qeydə alınıb. Bundan əlavə, pipetlər 69% hallarda kalium qlükonat, 22% kalium metilsulfat və 9% kalium asetat ilə doldurulmuşdur (məsələn, Əlavə Cədvəl S2-ə baxın). Bu müxtəlif eksperimental şərtlər membran biofizikasına əhəmiyyətli dərəcədə təsir göstərə bilsə də və tez-tez neyron atəşinə kəmiyyətcə təsir göstərə bilsə də (məsələn, sıçrayış tezliyinin dəyişdirilməsi), bəzən onlar fərqli atəş nümunələri arasında keyfiyyət dəyişikliyinə də səbəb ola bilər. Maraqlı hal, Sprague-Dawley heyvanlarının üfüqi dilimlərinin bütün hüceyrə qeydlərində keçici yavaş dalğa partlayışını nümayiş etdirən siçovul DG Granule hüceyrələrinə aiddir 41. Wistar heyvanları 16 və ya Wistar heyvanlarından üfüqi dilimlərin hüceyrədaxili qeydində uyğunlaşan sünbüllər 42. Fərqli atəş nümunələri eksperimental üsullardakı fərqlərdən qaynaqlana bildiyinə görə, biz mümkün "şərtdən asılılığı" şərh edirik, lakin bu hüceyrələri çox davranışlı və ya alt növlər kimi qəti şəkildə təsnif edə bilmirik. Vəziyyətdən asılı davranışların əksəriyyəti ən azı qismən uyğunlaşma nümayiş etdirən CA1 Horizontal Basket hüceyrələrində olduğu kimi yamaq sıxacının (indi üstünlük verilən qeyd üsulu hesab olunur) və ya heyvan növlərinin əvəzinə mikroelektrodların təsadüfi istifadəsi ilə əlaqələndirilə bilər. və siçovullarda və siçanlarda uyğunlaşmayan atəş, müvafiq olaraq 19,43 .

Vəziyyətdən asılılıq təkcə MOPP hüceyrələri 42,44 kimi tək davranışlı hüceyrə tiplərində deyil, həm də CA1 Axo-aksonik hüceyrələr 18,45 kimi çox davranışlı neyron tiplərində atəş nümunələrini dəyişə bilər. Bu hallar müvafiq olaraq 6 və 5 Hippocampome.org neyron növlərini təşkil edir. Nəhayət, vəziyyət asılılığı, CA1 Piramidal neyronları 28,43,46,47 kimi tək davranışlar və ya entorinal Layer V Dərin Piramidal neyronlar 14,27,48 kimi çox davranış nümayiş etdirməsindən asılı olmayaraq, xüsusi elektrofizioloji alt tiplərdə də tapıla bilər. Bu hallar müvafiq olaraq 2 və 1 Hippocampome.org neyron növlərini təşkil edir və öz növbəsində tək davranışları olan 6 vəziyyətdən asılı alt tip və çox davranışlı 2 vəziyyətdən asılı alt tip yaradır. Ümumiyyətlə, müxtəlif eksperimental şəraitdə qeydə alınmış atəş nümunəsi olan növlər/alt tiplər mövcud qeydləri olan növlərin/alt növlərin ümumi sayının yalnız 16 faizini təşkil edir.

Şəkil 2, 68 fərdi neyron növü (Şəkil 2a) və qalan 22 növdən bölünmüş 52 alt tip üçün ayrı-ayrı matrislər şəklində mövcud məlumatlar ilə bütün 90 Hippocampome.org neyronunun tam atəş nümunəsi fenotiplərini təqdim edir (Şəkil 2b) ). Hər iki halda sadə davranışlar çox davranışdan daha böyük nisbətlər təşkil edir, şərtdən asılılıq yalnız növ və alt tiplərin azlığı üçün bildirilir (Şəkil 2c). Bu neyron tipləri/alt tipləri arasında 44 fərqli fenotip, atəş nümunələrinin unikal kombinasiyası kimi müəyyən edilə bilər, digərlərindən yalnız atəş nümunələrindən birində aşkar edilə bilən sabit vəziyyətin olmaması ilə fərqlənənlər istisna olmaqla (ASP. qarşı ASP.NASP və ya ASP.SLN). Bu matrislərin interaktiv onlayn versiyası hippocampome.org/php/firing_patterns.php saytında mövcuddur.

Neyron növlərinin müəyyən edilmiş atəş nümunələri və atəş nümunəsi fenotiplərinin mürəkkəbliyi (a) və alt növlər (b). Onlayn matris: hippocampome.org/firing_patterns.php. Yaşıl və qırmızı hüceyrə növü/alt tip adları həyəcanverici (e) və inhibitor (i) müvafiq olaraq neyronlar. FPP atəş nümunəsi fenotipidir. Mötərizədə olan rəqəmlər hüceyrə növlərinin Hippocampome.org saytında təqdim olunduğu sıraya uyğundur (ver. 1.3). Narıncı ulduz fərqli eksperimental şərtləri bildirir. (c) Yanma nümunəsi fenotiplərinin mürəkkəbliyi faizlər və nisbətlər 120 hüceyrə tipi/alt tipləri arasında müxtəlif mürəkkəblikdə olan fenotiplərin baş verdiyini göstərir.

Neyron növləri üzrə atəş nümunələrinin atəş nümunələri elementlərinə bölünməsi

Atəş nümunələri və atəş nümunəsi elementləri də hipokampal neyron növləri arasında nisbi meydana gəlmə tezliyinə görə müxtəlifdir. Atəş nümunələri onları təşkil edən elementlərin sayına əsasən qruplaşdırıla bilər, yəni tək (məsələn, NASP və ya PSTUT), ikiqat (məsələn, ASP.NASP və ya TSWB.SLN) və üçlü (D.RASP.NASP və D.TSWB.NASP) ) və ya ASP., RASP.ASP. və TSTUT.ASP-də olduğu kimi onların tamamlanmasına (ASP.NASP, TSWB.SLN) və ya tamamlanmamış olmasına əsaslanır. (Şəkil 3a). Doqquz atəş nümunəsi elementindən ən çox rast gəlinənlər ASP və NASP, ən az yayılmışları isə TSTUT, TSWB və PSWB-dir (Şəkil 3b). Xüsusilə, gəmiricilərin hipokampusunda sürətlənmiş sıçrayış (ACSP) bildirilməyib, baxmayaraq ki, bu, digər sinir sistemlərində, məsələn, tısbağanın ventral buynuzunun interneyronlarında 49 və motoneyronlarda 50 müşahidə edilir.

Hipokampal formalaşma neyron növləri arasında atəş nümunələri, atəş nümunəsi elementləri və atəş nümunəsi fenotiplərinin meydana gəlməsi. (a) 23 atəş nümunəsinin paylanması ümumi nömrələr barların üstündə göstərilir. (b) 9 atəş nümunəsi elementinin paylanması ümumi nömrələri aşağıda mötərizə içərisində və 90 hüceyrə növü arasında baş vermə faizləri çubuqların üstündədir. (c) Hipokampal neyron növlərinin atəş nümunələrində atəş nümunəsi elementləri arasında əlaqələr. Fərqli atəş nümunələri olan hüceyrə növlərinin sayı göstərilir.

Hipokampal neyron tiplərində müşahidə olunan atəş nümunəsi elementləri dəstləri arasındakı əlaqələri Venn diaqramında ellips şəklində təqdim olunan atəş nümunəsi elementləri və onların mürəkkəb atəş nümunələrinə uyğun olan kəsişmələri ilə ümumiləşdirmək olar (Şəkil 3c). Bu təhlil aşağıdakı xüsusiyyətləri vurğulayır: dörd əsas atəş keçidi (ASP., RASP., TSTUT., TSWB.) çox vaxt ya NASP, ya da SLN ASP ilə bitir. tez-tez RASP-dən əvvəl olur. və bəzən TSTUT tərəfindən. kəsilmiş sabit vəziyyət atəşləri (PSTUT və PSWB) ayrıca qrup kimi seçilir və gecikmə (D.) çox vaxt NASP-dən əvvəl olur. Morfoloji olaraq müəyyən edilmiş hipokampal neyron növləri üçün ədəbiyyatda mümkün 38 tamamlanmış atəş nümunəsindən on beşi aşkar edilmişdir (Əlavə məlumatda Cədvəl S3).

Atəş nümunəsinin fenotiplərinin təsnifatı və paylanması

Hipokampal formalaşmada müşahidə olunan 44 unikal atəş nümunəsi fenotipini təsnif etmək üçün biz 120 neyron növü və elektrofizioloji alt tip arasında meydana gəlmə tezliyinə görə tərkib atəş nümunəsi elementlərini çəkdik (bax. Metodlar). Nəticədə, nadir atəş nümunəsi elementləri (PSWB, TSTUT və TSWB) yüksək çəkilər aldı (müvafiq olaraq 0,99, 0,95 və 0,93), çox tez-tez olan elementlərə (ASP və NASP) aşağı çəkilər (0,42 və 0,41) və ümumi elementlər ( D, RASP, PSTUT və SLN) aralıq çəkilər (0,90, 0,80, 0,88 və 0,87) əldə etmişdir. İki addımlı klaster təhlili yeddi səviyyəli iyerarxik ikili ağacın yarpaqları kimi on atəş nümunəsi ailəsini müəyyən etdi (Şəkil 4a). Ən yüksək səviyyədə, hipokampal neyron növləri və alt tipləri iki böyük qrupa bölünür: sünbüllü fenotipləri olanlar (78%) və kəsilmiş atəş fenotipləri olanlar (22%). Sonuncular partlama (6%) və kəkələmə (16%) olaraq ayrılır və bunların hər biri davamlı və davamlı olmayan ailələrə bölünür. Gecikmə (hüceyrə növlərinin 9%) əsasında spiking fenotipli neyron növlərinin birinci qrupu fərqlənir. Qalan neyron növləri uyğunlaşan (54%) və uyğunlaşmayan fenotiplərə (15%) bölünür. Uyğunlaşma qrupu sürətlə uyğunlaşan fenotipləri (18%) və normal uyğunlaşan (36%) fenotipləri olan neyron tiplərindən ibarətdir. Normal uyğunlaşan qruplar arasında aşağıdakı fenotipləri ayırd etmək olar: ASP.SLN nümunəsi ilə fasiləsiz uyğunlaşan sıçrayış (6%), ASP.NASP nümunələri ilə uyğunlaşan-uyğunlaşmayan spiking (15%) və sonuncu “saxta” fenotip ASP ilə tamamlanmamış uyğunlaşma spiking (15%). yalnız sabit vəziyyətin (SLN və ya NASP) müəyyən edilmədiyi nümunə. Uyğunlaşan spiking qruplarının bu bölgüsü uyğunlaşma dərəcələri, müddət və sonrakı sabit vəziyyətlərdəki fərqləri əks etdirir.

120 neyron növü/alt tipindən atəş nümunəsi fenotip ailələri. (a) Müvafiq yanma nümunəsi fenotip ailələrindən birinə aid olan hüceyrə tiplərinin/alttiplərinin təmsilçi nümunələri ilə çəkili atəş nümunəsi elementlərinin iki mərhələli qruplaşdırılması nəticəsində yaranan iyerarxik ağac. Nəzərə alın ki, sadə uyğunlaşan sıçrayış nümunəsi (yalnız ASP.) sabit vəziyyətin (SLN və ya NASP) müəyyən edilmədiyi tamamlanmamış uyğunlaşma sıçrayışının (15%) “saxta” fenotipini təşkil edir. (b) Atəş nümunəsi fenotipləri ailələrində atəş nümunəsi elementlərinin baş vermə faizi. (c) Neyron növləri/alt tipləri arasında atəş nümunəsi fenotip ailələrinin nisbi nisbətləri.Yaşıl və qırmızı rəqəmlər Şəkil 2-də sadalanan həyəcanverici və inhibitor hüceyrə tiplərini/alt tiplərini təmsil edir. (d) Hipokampal formasiyanın alt bölgələrində atəş nümunəsi fenotip ailələrinin paylanması. FPP% atəş nümunəsi fenotipləri ailələrinin ifadə faizidir.

Bu təhlil hər bir ailənin ən fərqləndirici atəş nümunəsi elementlərini də vurğulayır (Şəkil 4b). Xüsusilə, D. gecikmiş spiking üçün müəyyənedici element, davamlı kəkələmə üçün PSTUT, ASP. və fasiləsiz uyğunlaşma üçün SLN. Fasiləli atəş nümunələrinin dörd əsas elementinin hər biri (PSWB, PSTUT, TSWB. və TSTUT.) tək atəş nümunəsi fenotipində (müvafiq olaraq davamlı partlama, davamlı olmayan partlama, davamlı kəkələmə və davamlı kəkələmə) müşahidə olunur. Digər atəş nümunəsi elementləri (D., RASP., ASP., NASP və SLN) bir neçə atəş nümunəsi fenotiplərində görünür. Qeyri-müəyyən atəş nümunəsi elementlərinin nisbətləri 5% -dən 83% -ə qədərdir.

Atəş nümunəsi fenotiplərinin ailələri 120 neyron növləri/alt tipləri dəsti daxilində diferensial şəkildə paylanır (Şəkil 4c). Müəyyən fenotip ailələri eksklüziv olaraq (məsələn, davamlı partlama və qeyri-davamlı partlama) və ya əsasən (davamlı kəkələmə, sürətlə uyğunlaşma və uyğunlaşma-uyğunlaşmayan spiking) həyəcanverici neyron növləri ilə əlaqələndirilir. Əksinə, davamlı kəkələmə, gecikmiş sıçrayış, qeyri-uyğunlaşma və sadə uyğunlaşan sünbüllər əsasən inhibitor neyron tiplərindən ibarət fenotiplərdir. Fasiləsiz uyğunlaşan spiking fenotipi həyəcanlandırıcı və inhibitor neyron növlərinin nisbətən balanslaşdırılmış nisbətlərinə malikdir.

Atəş nümunəsi fenotipləri də hipokampal formasiyanın alt bölgələri arasında müxtəlif paylamalara malikdir (Şəkil 4d). CA1 neyron növləri arasında davamlı kəkələmə (16%), uyğunlaşmayan (24%), sadə uyğunlaşma (16%) və sürətlə uyğunlaşan spiking (13%) fenotipləri DG-də ən çox ifadə olunan fenotiplərə nisbətən daha çox rast gəlinir. EC, ASP-NASP (61%), fasiləsiz ASP-də gecikmiş (20%), sürətlə uyğunlaşan (20%) və sadə uyğunlaşan sıçrayış (15%). (11%), RASP. (28%) və NASP (19%) digər fenotiplərə nisbətən daha tez-tez baş verir.

Hippocampome.org saytından məlumatların istifadəsi

Axtarış və gözdən keçirmə

Hippocampome.org-a atəş nümunəsi məlumatlarının əlavə edilməsi geniş miqyaslı analitika və neyron növlərinin tez istifadə yoxlamaları üçün imkanları genişləndirir. Morfoloji, molekulyar və biofiziki məlumatlara oxşar olaraq, atəş nümunələri və onların parametrləri Şəkil 2-də təqdim olunan matrislərin interaktiv versiyaları (hippocampome.org/php/firing_patterns.php) ilə yanaşı, gözdən keçirmək üçün müşayiət olunan matrislə onlayn olaraq nəzərdən keçirilə bilər. stimullaşdırma parametrləri (müddəti və intensivliyi) və atəş sxemi parametrləri (gecikmə, sünbüllərarası intervalların sayı və s.). Bundan əlavə, burada təqdim olunan bütün təsnifat və təhlil nəticələri intuitiv qrafik istifadəçi interfeysindən istifadə edərək VƏ &OVYA Boolean məntiqini ehtiva edən sorğularla axtarıla bilər (bax: Hippocampome.org → Axtarış → Neyron Növü). Mövcud hərtərəfli bilik bazası daxilində inteqrasiya həm keyfiyyət (məsələn, PSTUT) həm də kəmiyyət (məsələn, (<>_<>^<> > 4,<>_<+1>) ) molekulyar (məsələn, kalbindin-mənfi), morfoloji (məsələn, CA1 piramidal təbəqəsindəki aksonlar) və biofiziki (məsələn, fəaliyyət potensialının eni < 0,8 ms) filtrlərlə (Şəkil 5) atəş nümunəsi xüsusiyyətləri. Məsələn, davamlı kəkələmə olan 13 neyron növündən 7-də ən böyük sünbüllər arası interval (ISI maks i) sonrakı ISI-dən 4 dəfədən çox uzundur (ISIi+1). Digər üç seçilmiş meyar əlavə edildikdə, mürəkkəb axtarış bir vuruşa səbəb olur: CA1 Axo-aksonik neyronlar (Şəkil 5a). Bu nəticəyə klikləməklə, sinonimlər, morfologiya, biofiziki parametrlər, molekulyar markerlər, sinaptik əlaqə və atəş nümunələri daxil olmaqla, verilmiş neyron növü ilə əlaqəli bütün məlumatların məntiqi şəkildə təşkil edildiyi interaktiv neyron səhifəsinə (Şəkil 5b) gətirib çıxarır. Neyron səhifələrindəki hər bir xüsusiyyət və matrisləri nəzərdən keçirin, o cümlədən atəş nümunələri və onların parametrləri, çıxarılan sitatlar və rəqəmlərlə tamamlanan bütün dəstəkləyici biblioqrafik sitatları sadalayan xüsusi sübut səhifəsinə keçid verir (Şəkil 5c). Sübut səhifəsində həmçinin bütün müvafiq atəş nümunəsi parametrləri (Şəkil 5d), heyvanlar haqqında məlumat daxil olmaqla eksperimental təfərrüatlar (Şəkil 5e), preparatlar (Şəkil 5f), qeyd üsulu və pipetdaxili məhlul (Şəkil 5g) olan cədvəl var. , ACSF (Şəkil 5h) və inter-spike intervallarının endirilə bilən faylı (Şəkil 5i).

Hippocampome.org neyron növlərini neyrotransmitter akson, dendrit və soma yerləri ilə molekulyar ifadə elektrofizioloji parametrlər, giriş/çıxış əlaqəsi atəş nümunələri və atəş nümunəsi parametrləri ilə axtarmağa imkan verir. (a) CA1 stratum pyramidale-də aksonlu kalbindin-mənfi neyron növləri üçün nümunə sorğusu, APeni < 0,8 ms, PSTUT atəşi və maksimum ISI-nin növbəti ISI-yə nisbəti 4-dən çox. Mötərizədə olan rəqəmlər seçilmiş xüsusiyyətə və ya xassələrin xüsusi kombinasiyasına malik neyron növlərinin sayını göstərir. (b) Axtarış nəticələri neyron səhifə(lər)i ilə əlaqələndirilir. (c) Neyron səhifəsi atəş nümunəsi sübut səhifəsi ilə əlaqələndirilir. Orijinal məlumatlar Pawelzikdən götürülmüşdür və b. 18. Bütün atəş nümunələri parametrləri (d), heyvanlar haqqında məlumat daxil olmaqla eksperimental təfərrüatlar (e), hazırlıqlar (f), qeyd üsulu və intra-pipet həlli (g), həmçinin ACSF tərkibi (h) göstərilə bilər. (i) Yüklənə bilən vergüllə ayrılmış dəyər faylı.

Portal, həmçinin, mövcud olduqda istinad edilən nəşrin müəllifləri tərəfindən istifadə edilən orijinal atəş nümunəsi adının təsviri haqqında məlumat verir (Hippocampome.org → Axtar → Orijinal atəş nümunəsi) və ModelDB-dən (https://senselab.med) müvafiq nəşr edilmiş modellərə keçidlər təqdim edir. .yale.edu/modeldb/).

Kateqorik məlumatların statistik təhlili

Atəş nümunəsi məlumatı Hippocampome.org bilik bazasının tutumunu iki dəfədən çox artırır, 27.000-dən çox bilik parçasına, yəni neyron növləri və onların xassələri arasında əlaqəyə malikdir. Bu genişlənmə məlum tendensiyaları təsdiqləməyə və hipokampal neyronlarda atəş nümunələri ilə molekulyar, biofiziki və morfoloji məlumatlar arasında gizli əlaqələri aşkar etməyə imkan verir ki, bu da böyük ədəbiyyatlar arasında tapmaq çətindir. hesabladıq səh-2 × 2 ehtiyat cədvəlləri üçün Bernardın dəqiq testindən istifadə edən dəyərlər. Molekulyar markerlər ifadəsi, elektrofizioloji parametrlər, əsas neyrotransmitter və aksonal proyeksiya xüsusiyyətləri ilə müşahidə olunan atəş nümunəsi elementlərinin müqayisəsi səh-0,05-dən az dəyərlər və 0,25-dən az saxta kəşf nisbətləri 29 statistik əhəmiyyətli korrelyasiya ilə başa çatdı. Bu cür tapıntıların bir neçə maraqlı nümunəsi Şəkil 6-da təqdim edilmişdir. Məsələn, uyğunlaşma spiking (ASP.) xolesistokinin ifadəsi ilə birlikdə baş verir (səh = 0.0113 Barnardın dəqiq sınağı ilə bütün n = 26 sübuta baxın Lee və b. Nümunə olaraq 51) üstəlik, qısa atəş boşalmasından sonra sükut (SLN) membran vaxt sabiti (n = 32, aşağı) olan neyron tiplərində müşahidə edilmir. səh = 0.0235).

Hipokampal neyronlarda atəş nümunəsi elementləri ilə məlum molekulyar, morfoloji və elektrofizioloji xüsusiyyətlər arasında statistik cəhətdən əhəmiyyətli korrelyasiya nümunələri. The səh dəyərlər 2 × 2 şərti cədvəllər üçün Bernardın dəqiq testindən istifadə etməklə hesablanır və FDR < 0.25 (bax. Metodlar).

Rəqəmsal elektrofizioloji məlumatların təhlili

Çıxarılan kəmiyyət məlumatları atəş nümunəsi parametrləri ilə membran biofizikası və ya sünbül xüsusiyyətləri arasındakı əlaqəni, məsələn, minimum sünbüllərarası intervallar arasındakı əlaqəni öyrənməyə imkan verir (ISImin) və fəaliyyət potensialının genişliyi (APeni). Biz bu iki dəyişəni hər iki ölçmənin mövcud olduğu 81 neyron tipində və alt tipində təhlil etdik (Şəkil 7). Səpələnmə süjeti APeni qarşı ISImin bir neçə fərqli qruplaşma aşkar edir (Şəkil 7a) və müvafiq histoqramlar (Şəkil 7b,c) polimodal paylanmaları nümayiş etdirir. Üfüqi kəsikli xətt (ISImin = 34 ms) yavaş sünbüllü 9 neyronu (biri istisna olmaqla, hamısı həyəcanlandıran) sürətli və orta sünbüllü 72 neyrondan (61% tormozlayıcıdır) ayırır. Sonuncu qrup ümumi tendensiyanı göstərir ISImin artdıqca yüksəlir APeni (A panelində qara kəsikli xətt). Bu tendensiya xətti funksiyaya uyğun idi Y = 13.79X 0.05 (R = 0.72 səh = 0,03). Yavaş sünbüllü neyron növləri azalan xətti funksiya ilə uyğun gələn əks tendensiya nümayiş etdirir. Y = 26.72X + 76.42 (R = −0.91, səh = 10 −6 ). Bundan əlavə, neyron növləri sünbül eni ilə ayrıla bilər. Şaquli kəsikli xətlər w1 (APeni = 0,73 ms) və w2 (APeni = 1,12 ms) dar, orta və geniş fəaliyyət potensialına malik olan ayrı-ayrı neyron növləri. Dar sünbüllü neyron növləri qrupuna (n = 22) yalnız inhibitor neyronlar daxildir. APeni 0,20 ilə 0,73 ms (0,54 ± 0,12 ms) aralığında. Bunun əksinə olaraq, geniş sünbüllü neyron növləri qrupu (n = 28) yalnız həyəcanverici neyronları ehtiva edir. APeni 1,13 ilə 2,10 ms (1,49 ± 0,23 ms) aralığında. Orta sünbüllü neyron növləri qrupu (n = 31), ilə APeni 0,74 ilə 1,12 ms (0,89 ± 0,12 ms) aralığında, tormozlayıcı (74%) və həyəcanverici (26%) neyronların qarışığı daxildir.

Fəaliyyət potensialının genişliyi arasındakı əlaqə (APeni) və minimum sünbüllərarası intervallar (ISImin) 84 neyron növləri və alt tipləri üçün. (a) APeni - ISImin xətti reqressiyanın nəticələri ilə səpələnmə diaqramı. Yaşıl üçbucaqlar və qırmızı dairələr müvafiq olaraq həyəcanlandırıcı və inhibitor neyronları göstərir. Kəsik narıncı xətlər: üfüqi xətt yavaş sünbüllü neyronları sürətli və orta sünbüllü neyronlardan şaquli xətlərlə ayırır (w1 və w2) dar, orta və geniş fəaliyyət potensialına malik neyronları ayırır. Qara xətlər: bərk xətt funksiyalı yavaş sünbüllü neyronlar üçün xətti uyğunluğu göstərir Y = −26,72X + 76.42 (R 2 = 0.83) kəsikli xətt funksiyalı sürətli və orta sünbüllü neyronlar üçün ümumi xətti uyğunluğu göstərir Y = 13.79X 0.05 (R 2 = 0.52). (b) APeni histoqram. (c) ISI histoqramı.

Ilə qrupdan 22 neyron növləri/alt tipləri arasında APeni < 0,72 ms, 13 dar sünbüllər, yüksək atəş sürəti və sünbül tezliyi uyğunlaşmasının olmaması və ya zəif ifadəsi ilə seçilən sürətli sıçrayış davranışını nümayiş etdirdi 52 . Bununla belə, bu ümumi xüsusiyyətlərə əlavə olaraq, onların atəş nümunələri keyfiyyət baxımından da geniş şəkildə dəyişir. Bu 13 neyron növündən beşi PSTUT ailəsinə aiddir, yəni CA3 Trilaminar 53, CA3 Aspiny Lucidum ORAX 54, CA2 Basket 17, CA1 Axo-aksonik 18 və CA1 Radial Trilaminar 19. Üç növ NASP ailəsinə aiddir: DG Basket 37 , CA1 Horizontal Axo-axonic 19 , və MEC LIII Səthi Çoxqütblü İnterneuron 55 . İki növ, CA3 Axo-aksonik 56 və CA2 Bistratifikasiyalı 17, sadə uyğunlaşan sünbüllər ailəsinə aiddir, iki növ, DG HICAP 39 və DG AIPRIM 16, ASP-NASP ailəsinə aiddir və nəhayət, CA1 Basket 51 davamlı kəkələmə ailəsinə aiddir. .

Bundan əlavə, atəş nümunəsi ailələri yuxarıdakı təhlilin aşkar etdiyi qruplar arasında qeyri-bərabər paylanmışdır. Davamlı və davamlı olmayan kəkələmə ailələri və davamlı olmayan partlama fenotipləri tamamilə dar və orta sürətli/orta sünbüllü neyron tiplərindən ibarətdir. Əksinə, sürətlə uyğunlaşan - uyğunlaşmayan spiking fenotipi yalnız ara genişlikdə sünbülləri olan neyronlarla təmsil olunur.


ÜSULLAR

Hazırlıqlar

Məlumatlar vestibulyar qanqliyonun yuxarı hissəsindən təcrid olunmuş neyronların somatasından, çoxu postnatal gündə 0-da (P0, doğum günü) Long'Evans siçovullarından P16-ya qədər, bəziləri isə siçanlardan (129/Sv ştammı), P0& #x02013P8. Heyvanlara uyğun olaraq rəftar edildi Laboratoriya Heyvanlarının Baxımı və İstifadəsi üzrə Milli Sağlamlıq İnstitutu və bütün prosedurlar Massaçusets Göz və Qulaq Xəstəxanasında heyvanlara qulluq komitəsi tərəfindən təsdiq edilmişdir. Kimyəvi maddələr başqa cür göstərilmədiyi təqdirdə Sigma-Aldrichdən (Sent-Luis, MO) alınmışdır.

Temporal sümüklər soyudulmuş və oksigenləşdirilmiş Liebovitz-15 (L-15) mühitində 10 mM HEPES (pH 7.4, � mmol/kq) əlavə edilmiş mühitdə parçalanmışdır, biz buna istinad edəcəyik. standart mühit. Otik kapsul açılmış və vestibulyar qanqlionun yuxarı hissəsi onun distal və mərkəzi sinir budaqlarından ayrılmışdır. Üst bölmə utrikulyar makulanı, yan və ön yarımdairəvi kanalların kristalarını və saccular makulanın bir hissəsini təmin edir. Qanqlion toxuması 0,05% kollagenaz və 0,25% tripsin əlavə edilmiş standart mühitə 37°C-də 25°1330 dəqiqə yerləşdirildi. Qanqlion toxuması daha sonra mexaniki olaraq triturasiya yolu ilə standart mühitə və ya bikarbonat tamponlu mühitə bölündü (aşağıdakı mətnə ​​baxın). Hüceyrələr poli-d-lizinlə əvvəlcədən örtülmüş şüşə dibi mədəniyyət qabına yerləşdirildi.

Qeydlər 1 saat (kəskin n = 179 hüceyrədən 42-si), 16� saat (in vitro 1 gün) n = 123) və ya 40� saat (2 gün in vitro n = 14). Müxtəlif yaşlarda olan hüceyrələri müqayisə etmək üçün biz onların yaşını disseksiya zamanı üstəgəl in vitroda sərf olunan günlərin cəmi kimi təyin etdik, beləliklə P9-da kəskin şəkildə qeydə alınan hüceyrə P7-də dissosiasiya olunmuş və 2 gün in vitro saxlanılan hüceyrə ilə müqayisə ediləcəkdir. . Kəskin hazırlıqlar yalnız <P7-də daha yaşlı yaşlarda müvəffəq oldu, somadakı peyk hüceyrələri yamaq pipetləri ilə neyron membranların möhürlənməsinin qarşısını aldı. Hüceyrələrin daha uzun müddət saxlanması peyk hüceyrələrinin çıxarılmasına səbəb olur ki, bu da köhnə hüceyrələrdən qeydlər aparmağa imkan verir. İki saxlama şəraitindən istifadə edildi: 1) hüceyrələr bir gecədə standart mühitdə (HEPES ilə əlavə edilmiş L-15) 4°C və ya 2) hüceyrələr bikarbonat tamponlu mədəniyyət mühitində (minimal əsas mühit [MEM], Invitrogen, Carlsbad, CA), 10 mM HEPES və 1% penisilin-streptomisin (Invitrogen) ilə əlavə edilmiş və 5% CO-də gecə və ya daha uzun müddət inkubasiya edilmişdir.237ºC-də -95% hava. Yaşlı heyvanların neyronları (və peyk hüceyrələri) ikinci kultivasiya üsulu ilə daha yaxşı yaşasa da, hər iki üsul üçün sağ qalan hüceyrələrin sayı yaşla azalıb. Fərqli preparatlardan (kəskin dissosiasiya olunmuş, 4°C-də saxlanılan və ya 37°C-də inkubasiya edilmiş) yaşa uyğun neyronlar üçün ölçdüyümüz xüsusiyyətlərdə heç bir əhəmiyyətli fərq tapmadıq və buna görə də nəticələri bir araya gətirdik.

Elektrofiziologiya

YAZILIŞLAR.

İzolyasiya edilmiş hüceyrələrə Nomarski optikası ilə təchiz edilmiş tərs mikroskop (Olympus IMT-2 Olympus, Lake Success, NY) ilə 󗘰-da baxıldı. Aksonal membran ilə çirklənmənin qarşısını almaq üçün biz yalnız görünən prosesləri olmayan hüceyrələrdən məlumatları təqdim edirik. Siqnallar ya pClamp 8 proqramı ilə idarə olunan Axopatch 200A gücləndiricisi və Digidata 1200 məlumat toplama lövhəsi, ya da Axopatch 200B gücləndirici, Digidata 1440 lövhəsi və pClamp 10 proqramı (MDS, Toronto) ilə çatdırılıb, qeydə alınıb və gücləndirilib. Fəaliyyət potensialının formasının təhrifini azaltmaq üçün (Magistretti et al. 1998), gücləndiricinin sürətli cərəyan sıxma rejimində qeyd etdik.

Standart məhlullarımızda müqaviməti 3 MΩ olan filamentli borosilikat şüşə qeyd pipetlərindən istifadə etdik. Pipetin tutumunu azaltmaq üçün biz ya elektrod qollarını parafilmə bükdük, ya da silikon elastomerlə (Sylgard 184 Dow Corning, Midland, MI) örtdük. Yırtılmış yamaqlı bütün hüceyrə qeydləri zamanı hüceyrə məzmununun itirilməsi ion kanallarının xüsusiyyətlərini dəyişə bilər. Bu cür dəyişiklikləri minimuma endirmək üçün biz elektrodla təmasda olan membran yamasının amfoterisin B (Sigma-Aldrich) tərəfindən perforasiya edildiyi bütün hüceyrə qeydinin perforasiya edilmiş yamaq üsulundan istifadə etdik. Amfoterisin-B məsamələri yalnız kiçik monovalent ionların sərbəst keçməsinə imkan verir (Horn və Marty 1988). Perforasiya edilmiş yamaq yazıları üçün pipet məhlulu (mM ilə): 75 K2BELƏ Kİ4, 25 KCl, 5 MgCl2, 5 HEPES, 5 EGTA, 0,1 CaCl2, və 240 μg/ml amfoterisin B, 13 mM KOH ilə pH 7,3 və son K+ konsentrasiyası üçün təxminən 188 mM, təxminən 270 mmol/kq titrə edilmişdir. Qeydlər zamanı seriya müqaviməti 12 ilə 27 MΩ arasında dəyişdi və 2,4 ilə 12 MΩ arasında olan son müqavimətlər üçün müvafiq olaraq 80-50% elektron kompensasiya edildi. Aktivləşdirmə əyriləri (keçirici gərginlik [g–V] əyrilər) qalıq (kompensasiya olunmamış) sıra müqaviməti üçün off-line düzəldildi. Bütün membran gərginlikləri pClamp 10.2-də tətbiq olunduğu kimi JPCalc (Barry 1994) ilə hesablanmış 5.1 mV qovşaq potensialı üçün oflayn rejimdə düzəldilmişdir.

Neyronlarda zamandan asılı dəyişiklikləri izləmək üçün biz müntəzəm olaraq standart protokollara (100 ms cərəyan və gərginlik addımları) cavablar topladıq. Yalnız GΩ möhürləri ilə əldə edilmiş və istirahət potensialı sabit və � mV-ə qədər mənfi olduqda əldə edilmiş qeydlər əlavə təhlil üçün daxil edilmişdir. Vannada 5,7 mM K+ olan təzə oksigenli standart mühit var idi (bax Hazırlıqlar), təxminən � mV olan K + tarazlıq potensialı üçün. Əksər qeydlər otaq temperaturunda idi (22º25ºC), lakin bəzi təcrübələrdə hamam qızdırılan platforma və temperatur tənzimləyicisi (TC-344B Warner Instruments, Hamden, CT) ilə 35 və ya 37ºC-ə qədər qızdırılıb.

FARMAKOLOGİYA.

Ehtiyat məhlulları (100 ℃) ≈x003b1-dendrotoksin (α-DTX) distillə edilmiş suda hazırlanmış və �ଌ-də saxlanılmışdır. DMSO-da linopirdinin 10 mM ehtiyat məhlulu qeyd günündə təzə hazırlanmışdır. Bütün məhlullar standart L-15 məhlulumuzda son konsentrasiyasına qədər seyreltildi. Dərmanlar təzyiqli superperfuziya sistemindən (Automate Scientific, Berkeley CA) istifadə edərək hüceyrələrə yerli olaraq tətbiq edilmişdir. Na + cərəyanlarının müdaxiləsi səbəbindən quyruq cərəyanının aktivləşdirilməsi əyrilərini yaratmaq mümkün olmadı. Bunun əvəzinə biz kvazi sabit vəziyyət yaratdıq g–V addımın başlamasından sonra 100 ms-də cərəyanı ölçməklə və təxmini hərəkətverici qüvvəyə bölmək yolu ilə əyrilər, (VmEK). Nəticədə əyrilər ümumiyyətlə Boltzmann tənliyinə uyğun gəlirdi

harada gmaks maksimum keçiricilikdir, V1/2 yarı maksimum aktivləşdirmə gərginliyidir və S yamac faktorudur. Farmakoloji təcrübələr mədəni siçovul neyronları ilə aparılmışdır (P8–P17, 25�ଌ). Aktivləşdirmə əyriləri yalnız sabit seriyalı müqavimətləri olan qeydlər üçün hazırlanmışdır.

ANALİZ.

Biz məlumatları pClamp 10 proqramı (Clampfit MDS Analytical Technologies, Toronto), Matlab (The MathWorks, Natick, MA) və Origin (OriginLabs, Northampton, MA) ilə təhlil etdik. Məlumatlar ± SE vasitəsi kimi verilir. Statistik əhəmiyyəti Tələbənin qoşalaşmaması ilə qiymətləndirilir t-nümunə dispersiyasındakı fərqlər üçün Uels korreksiyası ilə test. Müşahidə olunan əhəmiyyət səviyyələri (səh dəyər) əhəmiyyətli kimi bildirilir (səh < 0.05, qrafiklərdə “*” kimi göstərilmişdir), çox əhəmiyyətli (**səh < 0,01) və yüksək əhəmiyyətli (***səh < 0,001). Giriş müqaviməti (Rin) 10-pA hiperpolyarizasiya cərəyanı addımları ilə yaranan gərginlik dəyişməsindən hesablanmışdır. Membran vaxt sabitini əldə etdik (τm) eyni gərginlik reaksiyasına tək eksponensial uyğunlaşdırmaqla. Membran tutumu (Cm) τ nisbətidirm/Rm.

Süni gərginlik həddini qiymətləndirmək üçün faza qrafiklərindən (Bean 2007) istifadə etdik (Vci) gərginlik kimi Vm, hansı dVm/dt sürətlə dəyişir. Biz empirik olaraq gərginlik səs-küyündən yuxarı olan 10 mV/ms eşik meyarını təyin etdik, lakin kiçik sıçrayışlar üçün həddi aşkar etməyə imkan verəcək qədər kiçik.

Pseudosinaptik Stimullar.

Təbii sinaptik girişi təqlid edən stimullarla sıçrayış etmək üçün biz psevdorandom zamanlama ilə simulyasiya edilmiş həyəcanlandırıcı postsinaptik cərəyanların (psevdo-EPSC) qatarlarını yaratdıq. Hər bir psevdo-EPSC-nin forma və ölçüsünü təmsil etmək üçün biz alfa funksiyalarından istifadə etdik

Pseudo-EPSC dalğa formasının vaxt kursunu təyin edən α parametri vestibulyar afferent terminallardan EPSC-lərdə gərginlik sıxacının məlumatlarına uyğun olmaq üçün 1 ms olaraq seçilmişdir (Rennie və Streeter 2006 RA Eatock və J Xue, dərc olunmamış nəticələr) və koxlear afferent terminallar (Glowatzki və Fuchs 2002). Kvant sinaptik girişin təsadüfi vaxtını təmsil etmək üçün, həm vestibulyar, həm də koxlear afferentlərdə sinaptik gəliş vaxtlarını təmsil edən Poisson paylanmasından (orta interval: ≈x0223c2 ms) vaxtlar çəkərək impuls qatarı yaratdıq (Glowatzki və Fuchs 2002). Holt və başqaları 2006, 2007). Pseudo-EPSC qatarları impuls qatarlarını EPSC kimi alfa funksiyaları ilə birləşdirərək yaradılmışdır.

Təqdim olunan psevdo-EPSC taramalarının sayı çıxış artım sürətindən asılı idi. Sünbüllər Clampfit 10.2-nin daxili sünbül eşikləmə alqoritmləri ilə aşkar edilmişdir. Dəyişmə əmsalı (CV) sıçrayış vaxtlarının orta sıçrayış intervalına bölünməsi SD idi. CV dəyərləri yalnız vizual olaraq qiymətləndirildiyi kimi yaxşı formalaşdırılmaq üçün kifayət qədər məlumat nöqtəsi olan histoqramlar üçün bildirilir. Nəticə etibarilə, orta intervalda aşağı sürət və ya böyük SD-lərə malik qatarlar üçün daha uzun qeyd vaxtları tələb olunurdu. Vizual kriteriya SE dəyərlərinə ən yavaş sıçrayış sürətlərində orta intervalın �%-i çevrildi. Davam edən qeydlər istirahət potensialının uyğunluğu, giriş müqaviməti və standart cari addım protokoluna cavab üçün monitorinq edildi. Qeydiyyat müddəti 1 saat idi.

Pseudo-EPSC dərəcəsinin atəşə təsirini araşdırmaq üçün (sonradan Şəkil 13-də göstərildiyi kimi) biz psevdo-EPSC qatarlarını psevdor təsadüfi intervallarla deyil, vahid, əvvəlcədən müəyyən edilmiş intervallarla (diapazon: 10º13300 ms) yaratdıq.

Davamlı neyronların inteqrasiya müddətləri keçici neyronlara nisbətən daha uzun idi. Yalançı EPSC-lərin vahid məsafəli qatarları davamlı bir neyrona tətbiq edildi (A𠄼, P4, Şəkil 10-dan neyron addım-addım atış nümunəsi göstərilmişdir D) və keçici neyron (E–G, P5-də göstərilən addım-addım atış nümunəsi H). Bütün sünbüllər kəsilir. Hər cavabın altında göstərilən stimullaşdırıcı cərəyan qatarı 30 ms intervalla psevdo-EPSC-ləri çatdırdı (AE), 20 ms (BF) və ya 10 ms (CG). A𠄼: davamlı neyron, 㰰 ms aralıqlarla sıçrayış yaratmaq üçün fərdi olaraq alt eşik (10 pA) olan psevdoEPSC-ləri birləşdirdi. 30 ms intervalla neyron atəş etmədi (A) 20 ms fasilələrlə atəş etməyə başladı (B) və 10 ms intervalla daha sürətli atəş etdi (C). E–G: keçici neyron az inteqrasiya etdi, yalnız 80-pA psevdo-EPSC-lərə fərdi olaraq həddən yuxarı cavablar olan psevdo-EPSC-lər üçün sıçrayış göstərdi. 30 ms intervalla (E), neyron hər psevdo-EPSC üçün işə salındı. 20 ms intervalla (F), neyron hər EPSC üçün atəş açmadı, lakin hər bir sünbülün vaxtı yalançı EPSC-nin vaxtı ilə sıx əlaqələndirildi. 10 ms intervalla (G) neyron psevdo-EPSC qatarının başlanğıcında yalnız bir sünbül atdı.


İcma Forumu

Epileptik tutmalar insan düşüncələrini, hisslərini və hərəkətlərini yaratmaq üçün digər neyronlara, bezlərə və əzələlərə təsir edən anormal elektrokimyəvi impulslar tərəfindən tetiklenir.

Epilepsiya zamanı neyronların normal fəaliyyəti pozulur, qəribə hisslər, emosiyalar və davranışlar, bəzən qıcolmalar, əzələ spazmları və huşun itirilməsinə səbəb olur.

Tutma zamanı neyronlar saniyədə 500 dəfə atəş edə bilər, saniyədə təxminən 80 dəfə normal sürətdən çox daha sürətli. Bəzi insanlarda bu, digərlərində nadir hallarda olur, gündə yüzlərlə dəfəyə qədər ola bilər.

Epilepsiyada rol oynayan ən çox öyrənilmiş nörotransmitterlərdən biri inhibitor neyrotransmitter olan GABA və ya qamma-aminobutirik turşudur.

GABA üzərində aparılan tədqiqatlar beyində bu nörotransmitterin miqdarını dəyişdirən və ya beynin ona necə reaksiya verdiyini dəyişdirən dərmanlara gətirib çıxardı. Tədqiqatçılar həmçinin glutamat kimi həyəcanverici nörotransmitterləri də öyrənirlər.

Tutmalara səbəb ola biləcək digər bioloji əlaqəli səbəblər natrium, kalium və kalsiumun yaratdığı ion kanallarıdır. Bu ion kanalları sabit cərəyanın beyindəki bir sinir hüceyrəsindən digərinə keçməsi üçün müntəzəm olaraq yanmalı olan elektrik yükləri əmələ gətirir.

Bu ion kanalları genetik olaraq zədələnirsə, kimyəvi balanssızlıq yaranır. Bu, sinir siqnallarının yanlış işləməsinə səbəb ola bilər, bu da nöbetlərə səbəb ola bilər. İon kanallarında anormallıqların olmaması və bir çox digər ümumiləşdirilmiş nöbet üçün məsuliyyət daşıdığına inanılır.

Serotonin rifah və əlaqəli davranışlar (yemək, istirahət, yuxu) üçün vacib olan beyin kimyəvi maddəsidir. Serotonin balansının pozulması da depressiya ilə əlaqələndirilir. 2005-ci ildə aparılan bir araşdırma depressiyanın epilepsiya üçün risk faktoru ola biləcəyini və bu iki vəziyyətin beyində ümumi kimyəvi yolları paylaşa biləcəyini göstərdi.


İstinadlar

Roberts WM, Almers W. Aşağı müqavimətli möhürlərlə yamaq gərginlikli sıxma: boş yamaq sıxacı.Metodlar Enzimol 1992207:155–176

Stuhmer W, Roberts WM, Almers W. Boş yamaq sıxacı. Sakmann B, Neher (red.lər): "Tək Kanallı Qeyd." 1983 2-ci nəşr. Nyu York: Plenum Press, səh. 123–132.

Anson BD, Roberts WM. İon cərəyanlarının xəritələşdirilməsi üçün yeni bir gərginlik sıxacının texnikası mədəni skelet miyotublarını meydana gətirir.Biofizika jurnalı 1998 74:2963–2972.

Clarke IJ, Cummins JT. Yumurtalıqdan çıxarılan qoyunlarda gonadotropin azad edən hormon (GnRH) və luteinize edici hormon (LH) ifrazı arasında müvəqqəti əlaqə.Endokrinologiya 1982 111:1737–1739.

Levine JE, Ramirez VD. Siçovulların östrus dövrü ərzində və ovariektomiyadan sonra lüteinləşdirici hormon-relizinq hormonunun ifrazı, təkan-çəkmə kanülləri ilə təxmin edildiyi kimi.Endokrinologiya 1982 111:1439–1448.

Moenter SM, Caraty A, Locatelli A, Karsch FJ. Qoyunlarda ovulyasiyaya aparan gonadotropin-relizinq hormonunun (GnRH) ifrazının nümunəsi: ovulyasiyadan əvvəl GnRH artımının olması.Endokrinologiya 1991 129:1175–1182.

Nunemaker CS, DeFazio RA, Moenter SM. Estradiola həssas afferentlər GnRH neyronlarının uzunmüddətli epizodik atəş nümunələrini modulyasiya edir.Endokrinologiya 2002 143:2284–2292.

Hille B. Həyəcanlı membranların ion kanalları. 3-cü nəşr. Sunderland, MA: Sinauer Associates, Inc. 2001.

Sherman-Gold R (red). Elektrofiziologiya və biofizika laboratoriya texnikaları üçün akson bələdçisi. Axon Instruments, 1993. Artıq çapda mövcud deyil, lakin onlayn olaraq http://www.axon.com saytında mövcuddur.

Suter KJ, Song WJ, Sampson TL, Wuarin JP, Saunders JT, Dudek FE, Moenter SM. Yaşıl flüoresan zülalın gonadotropin azad edən hormon neyronlarına genetik hədəflənməsi: bütün hüceyrə elektrofizioloji xüsusiyyətlərinin və morfologiyasının xarakteristikası.Endokrinologiya 2000 141:412–419.

Liu HS, Jan MS, Chou CK, Chen PH, Ke NJ. Yaşıl flüoresan zülal canlı hüceyrələr üçün zəhərlidirmi?Biochem Biophys Res Comm 1999 260:712–717.

Velhuis JD, Johnson ML. Klaster analizi: endokrin nəbzin aşkarlanması üçün sadə çox yönlü və möhkəm alqoritm.Am J Physiol Endocrinol Metab 1986 250: E486-E493.

Nunemaker CS, DeFazio RA, Geusz ME, Herzog ED, Pitts GR, Moenter SM. Ölümsüzləşdirilmiş GnRH neyronlarının şəbəkələrinin uzunmüddətli qeydləri elektrik fəaliyyətinin epizodik nümunələrini ortaya qoyur.J Neyrofiziol 2001 86:86–93.

Nunemaker CS, Straume M, DeFazio RA, Moenter SM. Gonadotropin azad edən hormon neyronları bir çox zaman sahələrində qarşılıqlı ritmlər yaradır.Endokrinologiya Mart 2003144 (mətbuatda).

Milton RL, Caldwell JH. Yamaq sıxacının möhürləri necə əmələ gəlir? Lipid bleb modeli.Pflugers Arch Eur J Phys 1990 416:758–762.

Reuss S, Vollrath L. Siçovul pinealositlərinin elektrofizioloji xüsusiyyətləri: sirkadiyalı və ultradian ritmləri üçün sübut.Exp Brain Res 1984 55:455–461.

Schenda J, Vollrath L. Cücə epifizlərindən alınan tək hüceyrəli qeydlər in vitro ultradian və sirkadiyalı salınımları aşkar edir.Cell Mol Life Sci 2000 57:1785–1792.


Model göstərir ki, neyronların atəş sürəti onların sinxronizasiya qabiliyyətinə təsir edir

ŞƏKİL: Hüceyrə membranlarında ion adlanan yüklü hissəciklərin hüceyrənin daxili və xarici hissələri arasında qeyri-bərabər paylanması səbəbindən onların üzərində gərginlik olur. Neyronlar ionları keçirə bilər. daha çox baxın

Kredit: Şəkil dəyişdirilib

Okinava Elm və Texnologiya İnstitutunun Məzun Universitetinin (OIST) Hesablama Neyrologiyası Bölməsi tərəfindən aparılan tədqiqatlar ilk dəfə kompüter modelinin mühüm beyin hüceyrəsi tərəfindən nümayiş etdirilən unikal xüsusiyyəti təkrarlaya və izah edə biləcəyini göstərdi. Onların tapıntıları bu gün dərc olunub eLife, neyron qruplarının sürətli atəş etdikləri zaman sinxronlaşaraq öz-özünə necə təşkil oluna biləcəyinə işıq salır.

Model serebellumda olan Purkinje neyronlarına diqqət yetirir. Arxa beynin bu sıx bölgəsi digər vəzifələr arasında hərəkətin dəqiqliyini və vaxtını dəqiq tənzimləmək üçün bədəndən və beynin digər bölgələrindən daxilolmalar alır.

"Purkinje hüceyrələri hesablama modelləşdirmə üçün cəlbedici hədəfdir, çünki buradan həmişə çoxlu eksperimental məlumat əldə edilmişdir" dedi Hesablama Neyrologiyası Bölməsinə rəhbərlik edən professor Erik De Şutter. "Ancaq bir neçə il əvvəl bu neyronlar üzərində aparılan eksperimental tədqiqatlar heç bir mövcud modeldə təkrarlana bilməyən qəribə davranışı aşkar etdi."

Bu tədqiqatlar göstərdi ki, Purkinje neyronunun atış sürəti onun digər qonşu neyronlardan gələn siqnallara reaksiyasına təsir göstərir.

Bir neyronun elektrik siqnallarını atma sürəti digər neyronlara məlumat ötürmək üçün ən vacib vasitələrdən biridir. Sünbüllər və ya fəaliyyət potensialları "hamısı və ya heç nə" prinsipinə əməl edirlər - ya baş verir, ya da olmur - lakin elektrik siqnalının ölçüsü heç vaxt dəyişmir, yalnız tezliyi. Neyrona giriş nə qədər güclü olarsa, neyron bir o qədər tez alovlanır.

Lakin neyronlar müstəqil şəkildə atəş açmırlar. "Neyronlar elektrik siqnallarını ötürən bir çox digər neyronlarla birləşir və dolaşır. Bu sünbüllər sinaptik bağlantılar vasitəsilə qonşu neyronları poza bilər və onların atəş modelini dəyişdirə bilər", - Prof. De Şutter izah etdi.

Maraqlıdır ki, bir Purkinje hüceyrəsi yavaş-yavaş atəş açdıqda, birləşdirilmiş hüceyrələrdən gələn sünbüllər neyronun sıçrayışına çox az təsir göstərir. Lakin, atəş sürəti yüksək olduqda, giriş sünbüllərinin təsiri artır və Purkinje hüceyrəsini daha tez atəşə verir.

"Mövcud modellər bu davranışı təkrarlaya bilmədi və buna görə də bunun nə üçün baş verdiyini izah edə bilmədi. Modellər sünbülləri imitasiya etməkdə yaxşı olsalar da, neyronların sünbüllər arasındakı intervallarda necə hərəkət etdiyinə dair məlumatlara malik deyildilər", - professor De Şutter bildirib. "Daha çox məlumat daxil olmaqla daha yeni bir modelə ehtiyac olduğu aydın idi."

Xoşbəxtlikdən, Prof. De Şutterin bölməsi yenilənmiş modelin işlənib hazırlanmasını yenicə başa vurmuşdu ki, bu böyük vəzifəni əsasən indi keçmiş doktoranturadan sonrakı tədqiqatçı Dr. Yunliang Zang üzərinə götürür.

Tamamlandıqdan sonra komanda yeni modelin ilk dəfə atış sürətindən asılı olan unikal davranışı təkrarlaya bildiyini aşkar etdi.

Modeldə onlar gördülər ki, sünbüllər arasındakı intervalda Purkinje neyronunun membran gərginliyi yavaş-yavaş alovlanan neyronlarda sürətlə atılanlardan xeyli aşağıdır.

"Yeni bir sıçrayışı tetiklemek üçün membran gərginliyi həddə çatmaq üçün kifayət qədər yüksək olmalıdır. Neyronlar yüksək sürətlə atəş açdıqda, onların daha yüksək membran gərginliyi membran gərginliyini bir qədər artıran narahatedici girişləri asanlaşdırır. bu həddi keçin və yeni bir sıçrayışa səbəb olun,” Prof. De Şutter izah etdi.

Tədqiqatçılar, sürətli və yavaş alovlanan neyronlar arasında membran gərginliyindəki bu fərqlərin Purkinje neyronlarında kalium ion kanallarının xüsusi növləri ilə əlaqədar olduğunu tapdılar.

"Əvvəlki modellər yalnız bizim bildiyimiz kalium kanallarının ümumi növləri ilə işlənib hazırlanmışdı. Lakin yeni model daha ətraflı və mürəkkəbdir, o cümlədən Purkinje hüceyrəsinə məxsus kalium kanallarının bir çox növləri haqqında məlumatlar. Ona görə də bu unikal davranış nəhayət təkrarlanacaq və başa düşüləcək” dedi Prof. De Şutter.

Sinxronizasiyanın açarı

Tədqiqatçılar daha sonra bu davranışın Purkinje neyronları şəbəkəsində daha geniş miqyasda təsirlərini araşdırmaq üçün modellərindən istifadə etmək qərarına gəldilər. Onlar yüksək atəş sürətlərində neyronların eyni vaxtda sərbəst sinxronlaşmağa və birlikdə atəş açmağa başladığını tapdılar. Sonra atəş sürəti azaldıqda, bu koordinasiya tez itirildi.

Daha sadə, riyazi modeldən istifadə edərək, bölmənin qrup lideri Dr. Sungho Hong bu əlaqənin Purkinje neyronlarının bağlı neyronlardan gələn sıçrayışlara nə qədər sürətli və yavaş atəş açması fərqi ilə bağlı olduğunu təsdiqlədi.

"Bu, intuitiv məna daşıyır" dedi Prof. De Şutter. O izah etdi ki, neyronların sinxronlaşa bilməsi üçün beyinciklərə daxil olan girişlərə cavab olaraq atəş sürətlərini uyğunlaşdıra bilməlidirlər. "Beləliklə, digər sünbüllərlə bu sinxronizasiya yalnız Purkinje neyronları sürətlə atəş açdıqda baş verir" dedi.

Sinxroniyanın rolu hələ də nevrologiyada mübahisəlidir, onun dəqiq funksiyası zəif başa düşülür. Lakin bir çox tədqiqatçılar hesab edirlər ki, sinir fəaliyyətinin sinxronizasiyası beynin uzaq bölgələri arasında əlaqə yaratmağa imkan verən koqnitiv proseslərdə rol oynayır. Purkinje neyronları üçün onlar güclü və vaxtında siqnalların göndərilməsinə imkan verir ki, bu da eksperimental tədqiqatların hərəkətə başlamaq üçün vacib ola biləcəyini təklif edir.

"Bu, ilk dəfədir ki, tədqiqat neyronların atəş sürətinin onların sinxronizasiya qabiliyyətinə təsir edib-etmədiyini araşdırır və sinxronlaşdırılmış neyronların bu birləşmələrinin necə tez görünüb yox olduğunu izah edir" dedi Prof. De Şutter. "Beyindəki digər dövrələrin də bu sürətdən asılı mexanizmə güvəndiyini görə bilərik."

Komanda indi bu beyin hüceyrələrinin həm fərdi, həm də şəbəkə olaraq necə işlədiyini daha dərindən araşdırmaq üçün modeli istifadə etməyə davam etməyi planlaşdırır. Texnologiya inkişaf etdikcə və hesablama gücü gücləndikcə, Prof. De Şutter son həyat ambisiyasına malikdir.

“Mənim məqsədim mümkün olan neyronun ən mürəkkəb və real modelini qurmaqdır”, - professor De Şutter bildirib. "OIST mümkün olanın sərhədlərini zorlayan həqiqətən əyləncəli elmi həyata keçirmək üçün bunu etmək üçün resurslara və hesablama gücünə malikdir. Yalnız neyronlarda daha dərin və daha dərin təfərrüatları araşdırmaqla, həqiqətən də nə baş verdiyini daha yaxşı anlamağa başlaya bilərik."

İmtina: AAAS və EurekAlert! EurekAlert-ə göndərilən xəbərlərin düzgünlüyünə görə məsuliyyət daşımır! töhfə verən qurumlar tərəfindən və ya EurekAlert sistemi vasitəsilə hər hansı məlumatın istifadəsi üçün.


Videoya baxın: Tata Nama Ion dan Senyawa kompleks part 1- KIMIA SMA (Yanvar 2022).