Erstaunliches Kleinhirn

Was ist im Kleinhirn überraschend? Die Gehirnabteilung, die uns die Gelegenheit gab, die Schönheit und Pracht der Musik, die unglaubliche Genauigkeit und Anmut der Tanzbewegungen zu genießen.

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. Struktur und Beginn der Gehirneinstellungen

Das Gehirn und das Nervensystem als Ganzes arbeiten mit den gleichen diskreten Signalen, kurzen Impulsen, deren Amplitude gleich ist, und die Art und Weise, verschiedene organische Stoffe zu steuern, besteht darin, die Anzahl der Impulse pro Zeiteinheit zu ändern, d.h. Signalfrequenz. Auch der Grad der Auswirkung auf den Rezeptor wird genau durch die Änderung der Frequenz der Impulse bestimmt.

Unser Motorsystem hat das Potenzial für sehr präzise Aktionen, für sanfte Bewegungen oder präzise Bewegungen unserer Gliedmaßen. Um dies zu erreichen, wurden die Muskeln, die eine hohe Flexibilität bei der Steuerung erfordern, in motorische Einheiten unterteilt. Eine motorische Einheit ist ein Motoneuron und zugehörige Muskelfasern. Und je mehr motorische Einheiten an der Aktivität beteiligt sind, desto größer ist die Anstrengung, die durch die Muskelkontraktion entsteht. Auch die Muskelfasern verschiedener motorischer Einheiten sind miteinander verflochten, um die Last und das Aktionsfeld zu verteilen. Somit ist es möglich, Muskeln nicht nur aufgrund der Häufigkeit der Aktivierung motorischer Einheiten zu steuern, sondern auch aufgrund ihrer Gesamtzahl, die an der Aktivität beteiligt ist.



Stellen Sie sich einen einfachen Reflex vor, bei dem die Aktivierung des Titels zu einer vollständigen Kontraktion des Muskels führt. In diesem Reflex werden fast alle Motoreinheiten gleichzeitig aktiviert. Im Laufe des Lebens kann jedoch das Bedürfnis entstehen, sich beispielsweise sanft zusammenzuziehen oder den Muskel planmäßig zu entspannen, oder es ist nur eine sanfte Entspannung des Muskels erforderlich, aber dann seine rasche Reduktion.



In dem simulierten Beispiel führen mehrere Reflexe zu einer unterschiedlichen Art der Aktivierung des hypothetischen Muskels, wobei berücksichtigt wird, dass jeder Aktionsindikator eine motorische Einheit eines Muskels ist. Im Beispiel gibt es einen Hauptreflex, dessen Aktivierung zum gleichzeitigen Starten aller Motoreinheiten führt. Auf der Grundlage dieses Reflexes wurden Reflexe sozusagen durch einen Überbau erzeugt, der das sequentielle Ein- und Ausschalten von Motoreinheiten gewährleistet, was einen gewissen Zeitfaktor hinzufügt.

Während des Entwicklungsprozesses lernt das Tier, seinen Körper zu kontrollieren, und das Training findet nicht nur in Form von Assoziationen statt, die einige Ereignisse, sondern auch das Verhältnis dieser Ereignisse zeitlich und recht genau verknüpfen. Natürlich gibt die Ausbreitung der Anregung entlang des Reflexbogens einen Zeitfaktor an, aber die Mechanismen der Bildung von Reflexen erlauben es nicht, diesen Faktor ausreichend genau zu machen. Das Nervensystem sollte einen Mechanismus haben, um sich an die Zeitintervalle zwischen den Aktionen zu erinnern, und darüber hinaus flexibel genug für die Möglichkeit einer Umschulung.

Als ich die Theorie des Gehirns entwickelte und das Nervensystem untersuchte, war ich sehr überrascht vom Kleinhirn, dessen Merkmale sich stark von anderen Gehirnstrukturen unterscheiden. Erstens ist dies das Verhältnis der Größe des Kleinhirns und der ihm vorgeschriebenen Funktion. Das Kleinhirn nimmt ungefähr 14% des gesamten Gehirns ein (bei Tieren steigt das Verhältnis) und dient, wie Sie wissen, zur Koordinierung unseres Körpers und erfüllt auch einige autonome Funktionen. In diesem Fall führt eine Schädigung des Kleinhirns zu einer Verletzung der Koordination in Form von Schwierigkeiten bei der Aufrechterhaltung des Gleichgewichts, der Genauigkeit der Bewegungen, ungleichmäßiger Handschrift, langsamer Sprache usw. Für den Erfolg des Tieres sind diese Funktionen sehr wichtig, aber die Größe des Kleinhirns ist beispielsweise größer als der Bereich Wernicke und Broca zusammen, obwohl diese Bereiche für die menschliche Sprache verantwortlich sind, dh sie führen komplexere Funktionen mit kleineren Größen aus.

Zweitens gibt es im Kleinhirn ungewöhnliche Formen von Neuronen - Purkinje-Zellen. Die Dendriten dieser Zellen verzweigen sich stark auf einer Seite des Zellkerns und verzweigen sich in derselben Ebene. Diese Form der Zelle muss auf etwas zurückzuführen sein, normalerweise wachsen Dendriten von Neuronen ohne strenge Orientierung in den Ebenen.



Drittens unterscheidet sich die Struktur der Kleinhirnrinde signifikant von der Struktur der Neokortexrinde. In der Kleinhirnrinde werden nur drei Schichten unterschieden: die molekulare, die Purkinje-Zellschicht und die körnige Schicht. Wenn der Neokortex im Verlauf der Evolution die Anzahl seiner Schichten erhöhte, geschah dies nicht im Kleinhirn. Normalerweise berührt die Evolution nicht, was gut funktioniert und erfüllt ihre Funktionalität ausreichend. Wenn man bedenkt, dass das Kleinhirn evolutionär ziemlich früh erscheint, kann man sagen, dass die Struktur seines Kortex durch die Evolution unter seinen Funktionen perfekt geschliffen wird.



Eines der Merkmale der Struktur der Kleinhirnrinde ist das Vorhandensein paralleler Fasern - dies sind Axone von Kornzellen (körnige Zellen), die sich parallel zueinander und senkrecht zur Wachstumsebene der Dendriten von Purkinje-Zellen ausbreiten. Möglicherweise ist die Form der Purkinje-Zellen auf die Tatsache zurückzuführen, dass sie die Wahrscheinlichkeit eines Kontakts zwischen der parallelen Faser und dem Dendriten der Purkinje-Zellen während ihres Wachstums und ihrer Entwicklung des Kortex erhöht. Die Purkinje-Zelle ist eine "Fallenzelle" zum Züchten paralleler Fasern.

Es ist bekannt, dass das Aktionspotential die Form eines kurzen Impulses hat und sich mit einer begrenzten Geschwindigkeit von ungefähr 1 m / s entlang des Nervengewebes ausbreitet. Dies legt die Idee nahe, dass der Komplex aus parallelen Fasern und Purkinje-Zellen eine Art Zeitgeber ist, der durch Aktivierung der körnigen Zelle ausgelöst wird, und die Zeitintervalle werden durch die sequentielle Aktivierung von Purkinje-Zellen durch das propagierte Aktionspotential paralleler Fasern gezählt.



Basierend auf dieser Annahme wurde ein Modell entwickelt, das eine starke Vereinfachung der Struktur des Kleinhirns darstellt. Normalerweise haben Purkinje-Zellen eine hemmende Wirkung in den Kleinhirnkernen, in der Kortikalis selbst gibt es viele hemmende Zellen sowie Lianoidfasern, aber wir werden zum Zweck der Vereinfachung nicht alles berücksichtigen. Der Zweck des Modells besteht darin, ein Verständnis der Prinzipien der Kleinhirnoperation zu vermitteln.

Stellen Sie sich einen einfachen Reflex vor, eine Aktion wird auf einen einzelnen Reiz angewendet. Und wir müssen das neuronale Netzwerk so trainieren, dass es keine einzige Antwort auf diesen Reiz gibt, sondern eine Reihe von Antworten mit einem bestimmten Rhythmus. Mit der üblichen assoziativen Methode ist dies fast unmöglich zu erreichen. Sie benötigen ein Tool, das die Zeit zwischen Ereignissen zählt. Ein solches Tool ist ein Timing-Add-On, es ist ein Analogon zum biologischen Kleinhirn.



Das Timing-Add-In basiert auf einer Reihe von in Reihe geschalteten neuronalen Elementen. Das Signal, das diese Kette startet, durchläuft den Kollateralbremskreis, dieser Kreis leitet nur ein einziges Signal, dies ist notwendig, damit es keine Wechselwirkung und Konkurrenz zwischen den Elementen der Kette gibt. Alle Veränderungen, die zum Lernen führen, finden in den Synapsen von plastischen Neuronen statt. Jedes plastische Neuron hat sein eigenes Element in der Schaltung, das ein Analogon zum Komplex von Purkinje-Zellen und parallelen Fasern ist.

Wenn die Aktivität eines plastischen Neurons mit einem Neuroelement zusammenfällt, das einen Teil des Reflexbogens darstellt, tritt eine Erhöhung der Stärke und eine Stärkung der sie verbindenden Synapse auf. Wenn kein Zufall vorliegt, tritt eine Abnahme der Festigkeit auf. Die Rate dieser Änderungen hängt vom Maß der Neuroplastizität plastischer Neuronen ab. Anfänglich reicht die Stärke der Synapsen plastischer Neuroelemente nicht aus, um den Repräsentanten zu aktivieren. Erst nach mehreren aufeinanderfolgend durchgeführten Zufällen reicht die Wirkung der Synapse aus, um sie zu aktivieren. Nach einigen weiteren Wiederholungen wird sich diese Situation verstärken. Natürlich können wir die Lerngeschwindigkeit steuern, indem wir das Maß der Plastizität in plastischen Neuroelementen ändern.

Wenn wir nun den Reflex wiederholen und den Reiz mit dem erforderlichen Rhythmus aktivieren, erhalten wir nach einer Weile mit einer einzigen Aktivierung des Reizes die Antwort in einem erlernten Rhythmus.



Im obigen Beispiel wird der Rhythmus gespeichert. Natürlich kann jeder Rhythmus eingestellt werden. Das Beispielschema basiert auf den neuronalen Elementen, die in früheren Versionen beschrieben wurden.

Wir können daraus schließen, dass die Funktion des Kleinhirns darin besteht, kurze Zeitintervalle im Gedächtnis bei verschiedenen motorischen Aktionen beizubehalten.

Wie aus den Beispielen der Arbeit des Timing-Add-Ons hervorgeht, kann es nur mit einer Motoreinheit arbeiten, wobei jede Motoreinheit ihren eigenen Komplex benötigt. Wenn für jede Motoreinheit eine eigene Kette von Purkinje-Zellen vorhanden ist, kann man lernen, nicht nur die Rhythmen zu „schlagen“, sondern auch den Charakter der Bewegungen (Glätte, Schärfe) aufgrund der zeitlichen Koordination jeder Motoreinheit.



Es gibt eine Zunahme des Kleinhirnvolumens bei Menschen, deren Aktivitäten mit Aufgaben verbunden sind, bei denen es erforderlich ist, genaue Zeitintervalle (Timings) in motorischen Aktionen im Speicher zu speichern. Dies sind vor allem Musiker, Tänzer und Sportler.

Es kann festgestellt werden, dass eine signifikante Anzahl von Zellen zum Aufzeichnen von Zeitintervallen im Speicher erforderlich ist, was zu großen relativen Größen des Kleinhirns führt. Das von der Evolution gewählte Schema zielt jedoch in erster Linie auf Zuverlässigkeit und Flexibilität ab.

Bei der Erstellung grundlegender Modelle des Gehirns müssen nicht alle von der Evolution gewählten Schemata berücksichtigt werden, und es ist möglich, ein neuronales Element zu verwenden, das wie ein ganzer Komplex aus Purkinje-Zellen und parallelen Fasern funktioniert.

Source: https://habr.com/ru/post/de397707/