Simulator des Nervensystems. Teil 2. Moduliertes Neuroelement

Im Titelbild der Muschel der Gattung Aplizia befinden sich in ihrem Nervensystem nur 20.000 Nervenzellen. Fast das gleiche wie in Ihrem Nervensystem, die gleichen Dendriten, Axone, Mediatoren. Die gleichen Proteine ​​und Substanzen. Und der Weg zum Verständnis der Natur des Bewusstseins und des komplexen intellektuellen Verhaltens kann nicht an dieser bescheidenen Kreatur vorbei führen.

Hallo Geektimes, und wir fahren mit dem zweiten Teil fort, der der zweiten Art von Neuroelementen gewidmet ist - dies ist ein moduliertes Neuroelement.

Inhalt
1. Simulator des Nervensystems. Teil 1. Einfacher Addierer
2. Simulator des Nervensystems. Teil 2. Moduliertes Neuroelement
3. Nervensystem-Simulator. Teil 3. Assoziatives Neuroelement
4. Gedächtnis, Gedächtniskonsolidierung und Neuronen der Großmutter
5. Emotionsmodellierung oder elektronisches Gefühl der Neuheit
6. Erstaunliches Kleinhirn
7. Gehirnstruktur und Starteinstellungen

Es gibt drei Arten von Reflexaktivität: Sucht, Sensibilisierung und Bildung konditionierter Reflexe. Diese Arten von Aktivitäten wurden vom Akademiker Pawlow I.P. und wenn unser Modell dies nicht emuliert, dann ist dies kein Modell des Nervensystems, sondern ein Modell von etwas anderem.



Sucht

Sucht ist ein Phänomen aufgrund der Tatsache, dass nach wiederholter Wirkung eines gleichgültigen Reizes sowohl das Tier als auch die Zelle nicht mehr darauf reagieren. Zum Beispiel das Hintergrundgeräusch, an das wir uns gewöhnen können, und nach einer Weile hören wir es praktisch nicht mehr, oder wenn Sie den Ring längere Zeit tragen, spüren Sie möglicherweise nicht den Druck auf der Haut usw.

Sucht wird auf folgende Weise implementiert. Wenn ein Neuroelement aktiviert wird, tritt es in einen Aktivitätszustand ein, in dem es nicht mehr auf aktivierende Faktoren wie ein Signal von Kontaktsynapsen reagiert oder wenn der Gesamtschwellenwert des Addierers überschritten wird. Nach einiger Zeit gibt das Neuroelement eine Antwort auf alle sendenden Synapsen, die es hat. Nachdem das Signal gesendet wurde, vergeht eine andere Zeit, die als Ruhe- oder Erholungszeit bezeichnet wird. Ferner wird der Aktivitätszustand durch einen Erwartungszustand ersetzt, in dem das Neuroelement auf aktivierende Faktoren reagieren und wieder in den Aktivitätszustand eintreten kann. Für ein moduliertes Neuroelement nach der Aktivitätsphase gibt es eine Auswertungszeit, in der bestimmt wird, ob das Neuroelement reaktiviert wird.

Wenn während dieses Zeitraums eine erneute Aktivierung erfolgt, werden mehrere Wiederholungen durchgeführt. Das heißt, jedes Mal, wenn eine Aktivierung während der Auswertung erfolgt, wird der Wiederholungszähler um eins erhöht. Wenn jedoch während der Auswertung keine Aktivierung erfolgt, wird der Zähler zurückgesetzt. So werden Aktivierungen gezählt, wenn sie oft genug durchgeführt werden.



Und wenn die Anzahl der Wiederholungen über einer bestimmten Grenze liegt, erhöht sich die Schwelle des Addierers des Neuroelements um einen bestimmten Wert. Somit erhöht das Neuroelement seine Schwelle, bis es nicht mehr auf das Expositionsniveau reagiert, das es aktiviert hat.

Ein Beispiel für Sucht:





Anpassung

Im Gegensatz zur Sucht sollte der Anpassungsmechanismus hervorgehoben werden. Anpassung ist die Fähigkeit einer Zelle, im Laufe der Zeit zu ihrem vorherigen Empfindlichkeitsniveau zurückzukehren. Selbst nachdem man sich daran gewöhnt hat, nimmt die Kraft dieser Sucht ab und kann ganz verschwinden, wenn lange Zeit kein Reizmittel vorhanden ist, für das eine Sucht entwickelt wurde.

Die Geschwindigkeit, mit der die Wiederherstellung stattfindet, kann in verschiedenen Fällen unterschiedlich sein, und manchmal kann sie Stunden oder sogar Tage dauern, und in einigen Fällen geschieht dies sehr schnell.

Beispiel mit Anpassung:





Der Gewöhnungsmechanismus kann als Abwehrmechanismus dargestellt werden, bei sehr häufiger Aktivierung des Nervengewebes besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit seiner Erschöpfung, seines Todes und seiner Schädigung. Um die Empfindlichkeit des Neurons zu schützen, nimmt es daher ab und es beginnt seltener, auf Anregungen zu reagieren.

Wenn das Neuron andererseits nicht aktiviert wird, führt es seine Aufgaben nicht aus und wäre daher ein nutzloser Energieverbrauch. Daher gibt es einen Anpassungsmechanismus, der die Empfindlichkeit gegenüber externen Reizen erhöht, was die Wahrscheinlichkeit der Aktivierung eines Neurons erhöht.

Die Eigenschaften der Neuroelementabhängigkeit und -anpassung lösen das Problem der Schleifenbildung, sehr oft werden im Nervengewebe Neuronen kombiniert, so dass sie eine Übertragungsschleife der Nervenanregung bilden, so kleine Ringübertragungen, als ob sie einen Reflexbogen entlang des Ausbreitungsweges der Erregung anzeigen. Bei Ringzahnrädern gibt es jedoch keine endlosen Schleifen, und im Laufe der Zeit halten diese Zahnräder auch an, da sie sich schnell daran gewöhnen.



Sensibilisierung

Die zweite Art der Reflexaktivität ist die Sensibilisierung. Sensibilisierung ist eine Erhöhung der Empfindlichkeit gegenüber den Wirkungen von Reizen, auch wenn dies gleichgültig ist, wenn diesem ein wichtiges Ereignis für den Körper vorausgegangen ist.
Zum Beispiel ist für einen Hund ein bestimmtes Geräusch ein gleichgültiger Reiz, auf den er zuvor nicht reagiert hat. Wenn dann ein unangenehmer Reizstoff eintrifft, beispielsweise ein elektrischer Schlag, wird der Hund für eine Weile alarmiert, und selbst ein gleichgültiges Geräusch verursacht ein charakteristisches Verhalten, eine Schutzreaktion.
Um eine Sensibilisierung zu simulieren, wenden wir uns der Arbeit von Eric Kandel zu, Nobelpreisträger für Physiologie. Er beschrieb ausführlich die Wirkung der Modulation von Synapsen am Beispiel des Nervensystems der Molluske Aplisia.



Die Molluske reagiert schützend auf alle Arten von Berührungen, das Zurückziehen der Kiemen. In seinen Experimenten war Eric Kandel süchtig nach Aplizia, um ihren Siphon leicht zu berühren, damit der Schutzreflex nicht funktionierte. Der Schutzreflex bleibt bei starken Stößen auf den Siphon erhalten, fehlte jedoch bei schwachen Stößen. Wenn jedoch der leichten Berührung des Siphons ein Aufprall auf den Schwanz der Molluske vorausging, wirkte der Schutzreflex mit der gleichen Kraft und die Kiemen blieben erhalten.


[Illustrationen aus Eric Kandels Buch „Auf der Suche nach Erinnerung“]

Das Aplisia-Nervensystem besteht aus einer relativ kleinen Anzahl von Zellen, die identifiziert werden können, und daher ist es möglich, Reflexmuster zu erzeugen. Es ist möglich, den Reflexbogen, der für die Schutzreaktion bei Siphonreizung verantwortlich ist, vollständig zu unterscheiden - dies ist die Hauptkette. Und die Kette von Neuronen, die für die Modulation verantwortlich sind, ist eine Modulationskette, die aktiviert wird, wenn der Schwanz einer Molluske freigelegt wird.

Eric Kandel beschrieb ausführlich, wie Modulation in diesem Fall auftritt, welche Chemikalien an diesem Prozess beteiligt sind und intrazelluläre Reaktionskaskaden. Lassen Sie uns dieses Wissen auf unser Modell übertragen.

Und so gibt es in unserem System eine bestimmte Art der Synapsenmodulation. Diese Art von Synapse hat keine direkte aktivierende oder hemmende Wirkung, sondern beeinflusst die Höhe der Aktivierungsschwelle. Der Aktivierungsgrad eines Neuroelements besteht aus zwei Hauptteilen und einem modulierten. Der Hauptteil der Aktivierungsschwelle ändert sich mit der Gewöhnung und Anpassung. Der modulierte Teil ähnelt einem Addierer, alle Effekte aus modulierenden Synapsen werden hinzugefügt. Die resultierende Summe nimmt im absoluten Wert allmählich ab und tendiert gegen Null. Die Abnahmerate des Modulationseffekts ist viel langsamer als die Rate, mit der der Gesamteffekt direkter Synapsen abnimmt.

Die Stärke der modulierenden Synapse kann im Vorzeichen unterschiedlich sein, dh sie kann den Schwellenwert erhöhen, wodurch die Empfindlichkeit des Neuronenelements verringert wird, oder den Schwellenwert senken, wodurch seine Empfindlichkeit erhöht wird.

Der Schwellenwert, um den geschätzt wird, ob das neuronale Element aktiviert wird, ist die Summe der Haupt- und Modulationsteile. Dieser Wert kann nicht gleich Null oder unter Null sein.

Wir simulieren die Experimente von Eric Kandel mit Apliz.



Die Rezeptoren "Q", "W", "E" und "R" sind Rezeptoren des Molluskensiphons, von denen jeder mit einem Rezeptor-Neuroelement assoziiert ist. Jedes Rezeptor-Neuroelement ist mit direkt wirkenden Synapsen mit einem inserierten modulierten Neuroelement assoziiert. Was wiederum einem motorischen Neuroelement zugeordnet ist, das ein Signal an den Indikator "1" sendet. Der Indikator "1" ist ein Analogon zur Wirkung der Kiemenreduzierung in Aplizia.

Zu Beginn ist das Netzwerk so konfiguriert, dass die Aktivität jedes der Siphonrezeptoren zur Aktion "1" führt. Bei längerem „Kitzeln“, einer gemächlichen sequentiellen Aktivierung der Siphonrezeptoren, macht das süchtig machende Neuroelement nach einiger Zeit süchtig und es tritt keine Reaktion auf. Wenn wir jedoch stärker auf die Siphonrezeptoren einwirken, mehrere Rezeptoren gleichzeitig aktivieren oder dies schneller tun, werden wir feststellen, dass die Reaktion „1“ immer noch funktioniert. In diesem Fall wird der Anpassungsmechanismus sehr lange dauern, und wir können ihn vernachlässigen.

Auch in unserem Schema gibt es einen Rezeptor "F", einen Molluskenschwanzrezeptor, der mit einem Neuroelement assoziiert ist, das eine Synapse modulierender Wirkung auf ein eingefügtes Neuroelement aufweist. Diese Synapse senkt den Schwellenwert eines Neuroelements um eine bestimmte Zeit, wodurch das Neuroelement empfindlicher wird und während dieser Zeit die Aktivierung sogar eines Siphonrezeptors zur Reaktion „1“ führt.

Der Sensibilisierungsmechanismus bei Aplizia ist ein Prototyp des emotionalen Zustands von Angst und Furcht bei Tieren mit einem stärker entwickelten Nervensystem. Bei solchen Tieren beinhaltet die Sensibilisierung nicht getrennte Ketten von Neuronen, sondern ganze Bereiche im Nervensystem. Der Bereich, der für Angst und Furcht verantwortlich ist, ist die Amygdala, die Mandel, und wenn sie aktiviert ist, wählen Sie modulierende Mediatoren (Adrenalin, Noradrenalin) aus. Diese Mediatoren können eine Wirkung auf den motorischen Kortex haben und die Empfindlichkeit von Neuronen erhöhen, was die Aktivität im Auto erhöht. Dies bedeutet, dass weniger interne Motivation erforderlich ist, um einige Maßnahmen zu ergreifen, wodurch Sie schnell der Gefahr entkommen oder aktiver angreifen und Aggressionen zeigen können.

Wechseln

Modulierte Neuroelemente ermöglichen es uns auch, uns vorzustellen, wie das Verhalten des Tieres in Abhängigkeit von äußeren und inneren Umständen verändert wird. Zum Beispiel zeigt Aplizia während der Paarungszeit ein sehr komplexes Verhalten, sein Verhalten während dieser Zeit ändert sich und mögliche Reaktionen auf dieselben Reize ändern sich. Das heißt, man kann über die Existenz eines bestimmten „Schalters“ im Nervensystem der Molluske sagen.





Das Netzwerk ist so konfiguriert, dass bei Aktivierung des Rezeptors "R" die Reflexantwort "1" auftritt. Wenn wir dieses Netzwerk neuronaler Elemente durch Aktivierung des Rezeptors F modellieren, tritt die Reflexantwort „2“ auf demselben Rezeptor „R“ auf. Der modulierende Faktor für das Nervensystem kann das Vorhandensein eines bestimmten Hormons im Körper sein, was erklärt, wie sich das Verhalten des Tieres beispielsweise während der Fruchtbarkeitsperiode ändert.

Source: https://habr.com/ru/post/de397375/