Simulador del sistema nervioso. Parte 2. Neuroelemento modulado

En la imagen del título, la almeja del género Aplizia, en su sistema nervioso solo hay 20,000 células nerviosas. Casi lo mismo que en su sistema nervioso, las mismas dendritas, axones, mediadores. Las mismas proteínas y sustancias. Y el camino para comprender la naturaleza de la conciencia y el comportamiento intelectual complejo no puede pasar esta modesta criatura.

Hola, Geektimes, y pasamos a la segunda parte, que se dedicará al segundo tipo de neuroelementos: este es un neuroelemento modulado.

Contenidos
1. Simulador del sistema nervioso. Parte 1. Sumador simple
2. Simulador del sistema nervioso. Parte 2. Neuroelemento modulado
3. Simulador del sistema nervioso. Parte 3. Neuroelemento asociativo
4. Memoria, consolidación de la memoria y neuronas de la abuela
5. Modelado de emociones o sentido electrónico de novedad
6. Cerebelo asombroso
7. Estructura cerebral y ajustes iniciales

Hay tres tipos de actividad refleja: adicción, sensibilización y formación de reflejos condicionados. Este tipo de actividades fueron identificadas por el académico Pavlov I.P. y si nuestro modelo no emula esto, entonces este no es un modelo del sistema nervioso, sino un modelo de otra cosa.



Adicción La

adicción es un fenómeno debido al hecho de que después de la acción repetida de un estímulo indiferente, tanto el animal como la célula dejan de responder. Por ejemplo, el sonido de fondo al que podemos acostumbrarnos y después de un tiempo prácticamente dejamos de escucharlo, o si usa el anillo durante mucho tiempo, es posible que no sienta su presión sobre la piel, etc.

La adicción se implementa de la siguiente manera. Cuando se activa un neuroelemento, entra en un estado de actividad en el que deja de responder a factores de activación, como una señal, de las sinapsis de contacto o si se supera el umbral total en el sumador. Después de un tiempo, el neuroelemento produce una respuesta a todas las sinapsis de transmisión que tiene. Después de que se transmite la señal, pasa otro tiempo, que se designa como el tiempo de descanso o recuperación. Además, el estado de actividad se reemplaza por un estado de expectativa, en el cual el neuroelemento puede responder a factores de activación y nuevamente ingresar al estado de actividad. Para un neuroelemento modulado después de la fase de actividad, hay un tiempo de evaluación, durante el cual se determina si el neuroelemento se reactivará.

Si la reactivación ocurre durante este período, entonces hay un recuento de repeticiones. Es decir, cada vez que ocurre la activación durante la evaluación, el contador de repetición aumenta en uno, pero si la activación no ocurre durante la evaluación, el contador se reinicia. Así es como se cuentan las activaciones si se realizan con la suficiente frecuencia.



Y si el número de repeticiones está por encima de cierto límite, entonces el umbral del sumador del neuroelemento aumenta en un cierto valor. Por lo tanto, el neuroelemento aumenta su umbral hasta que deja de responder al nivel de exposición que lo activó.

Un ejemplo de adicción:





adaptación

En contraste con la adicción, el mecanismo de adaptación debe destacarse. La adaptación es la capacidad de una célula para volver a su nivel anterior de sensibilidad con el tiempo. Incluso después de acostumbrarse, si durante mucho tiempo no hay irritantes para los cuales se ha desarrollado una adicción, entonces el poder de esta adicción disminuye y puede desaparecer por completo.

La velocidad con la que se realiza la recuperación puede ser diferente en diferentes casos, y a veces puede durar horas o incluso días, y en algunos casos ocurre muy rápidamente.

Ejemplo con adaptación:





el mecanismo de habituación puede representarse como un mecanismo de defensa, con activación muy frecuente del tejido nervioso, existe una alta probabilidad de agotamiento, muerte y daño. Por lo tanto, para proteger la sensibilidad de la neurona disminuye, y con menos frecuencia comienza a responder a las excitaciones.

Por otro lado, si la neurona no se activa, entonces no realizará sus tareas y, por lo tanto, sería un consumo de energía inútil. Por lo tanto, existe un mecanismo de adaptación que aumenta la sensibilidad a los estímulos externos, lo que aumenta la probabilidad de activación de una neurona.

Las propiedades de la adicción y adaptación al neuroelemento resuelven el problema del bucle, muy a menudo en el tejido nervioso, las neuronas se combinan para formar un bucle de transmisión de excitación nerviosa, tales engranajes de anillo pequeños parecen indicar un arco reflejo a lo largo del camino de propagación de la excitación. Pero con los engranajes circulares de excitación, no hay un bucle sin fin; con el tiempo, estos engranajes también se detienen, debido a que se acostumbran rápidamente.



Sensibilización

El segundo tipo de actividad refleja es la sensibilización. La sensibilización es un aumento en la sensibilidad a los efectos de los estímulos, incluso indiferentes, si esto fue precedido por un evento importante para el cuerpo.
Por ejemplo, para un perro, cierto sonido es un estímulo indiferente al que no ha reaccionado previamente. Luego, si llega un irritante desagradable, por ejemplo, una descarga eléctrica, el perro se alarmará por un tiempo e incluso un sonido indiferente causará un comportamiento característico, una reacción protectora.
Para simular la sensibilización, recurrimos al trabajo de Eric Kandel, premio Nobel de fisiología. Describió en detalle el efecto de la modulación de sinapsis en el ejemplo del sistema nervioso del molusco Aplisia.



El molusco tiene una reacción protectora en respuesta a todo tipo de contacto, la retracción de las branquias. En sus experimentos, Eric Kandel era adicto a Aplizia al tocar ligeramente su sifón para que el reflejo protector no funcionara. El reflejo protector se conserva para impactos fuertes en el sifón, pero estaba ausente con un impacto débil. Pero si el ligero toque del sifón fue precedido por un impacto en la cola del molusco, entonces el reflejo protector funcionó con la misma fuerza y ​​se preservaron las branquias.


[Ilustraciones del libro de Eric Kandel "En busca de la memoria"]

El sistema nervioso de aplisia consiste en un número relativamente pequeño de células que pueden identificarse y, por lo tanto, es posible crear patrones reflejos. Es posible distinguir completamente el arco reflejo responsable de la reacción protectora en caso de irritación por sifón: esta es la cadena principal. Y la cadena de neuronas responsables de la modulación es una cadena de modulación, que se activa cuando se expone la cola de un molusco.

Eric Kandel describió en detalle cómo ocurre la modulación en este caso, qué químicos están involucrados en este proceso y las cascadas de reacciones intracelulares. Transfieramos este conocimiento a nuestro modelo.

Y así, en nuestro sistema hay un cierto tipo de sinapsis: la modulación. Este tipo de sinapsis no tiene un efecto directo de activación o inhibición, afecta el nivel del umbral de activación. El nivel de activación de un neuroelemento consta de dos partes principales y moduladas. La parte principal del umbral de activación es lo que cambiará con la habituación y la adaptación. La parte modulada es similar a un sumador; todos los efectos de las sinapsis de modulación se agregan en ella. La suma resultante disminuye gradualmente en valor absoluto y tiende a cero. La tasa de disminución del efecto de modulación es mucho más lenta que la tasa a la que disminuye el efecto total de las sinapsis directas.

La fuerza de la sinapsis moduladora puede ser diferente en el signo, es decir, puede aumentar el umbral, disminuyendo así la sensibilidad del elemento neuronal, o disminuir el umbral, aumentando su sensibilidad.

El nivel de umbral por el cual se estima si el elemento neural se activará es la suma de las partes principal y moduladora, este nivel no puede ser igual a cero o inferior a cero.

Simulamos los experimentos de Eric Kandel con Apliz.



Los receptores "Q", "W", "E" y "R" son receptores del sifón de moluscos, cada uno de los cuales está asociado con un neuroelemento receptor. Cada neuroelemento receptor está asociado con sinapsis de acción directa con un neuroelemento modulado insertado. Que a su vez está asociado con un neuroelemento motor, que envía una señal al indicador "1". El indicador "1" será un análogo de la acción de reducción de branquias en Aplizia.

Inicialmente, la red está configurada para que la actividad de cada uno de los receptores de sifón conduzca a la acción de "1". Pero con un "cosquilleo" prolongado, una activación secuencial pausada de los receptores de sifón, después de algún tiempo el neuroelemento adictivo se vuelve adictivo y no se produce respuesta. Pero, si actuamos sobre los receptores de sifón con mayor fuerza, activamos varios receptores a la vez o lo hacemos más rápidamente, entonces veremos que la reacción "1" seguirá funcionando. En este caso, el mecanismo de adaptación será muy largo en el tiempo, y podemos descuidarlo.

También en nuestro esquema hay un receptor "F", un receptor de cola de molusco, que está asociado con un neuroelemento que tiene una sinapsis de acción moduladora en un neuroelemento insertado. Esta sinapsis reduce el nivel umbral de un neuroelemento en un cierto tiempo, lo que hace que el neuroelemento sea más sensible y durante este período, la activación de incluso un receptor de sifón conduce a la reacción "1".

El mecanismo de sensibilización en Aplizia es un prototipo del estado emocional de ansiedad y miedo en animales con un sistema nervioso más desarrollado. En tales animales, la sensibilización no implica cadenas separadas de neuronas, sino áreas enteras del sistema nervioso. El área responsable del miedo y la ansiedad es la amígdala, las amígdalas y, cuando se activa, selecciona mediadores moduladores (adrenalina, noradrenalina). Estos mediadores pueden tener un efecto en la corteza motora, aumentando la sensibilidad de las neuronas, lo que aumenta la actividad en el automóvil. Esto significa que se requiere menos motivación interna para tomar algunas acciones, lo que le permite escapar rápidamente del peligro o atacar y mostrar agresividad de manera más activa.

Interruptor

Los neuroelementos modulados también nos permiten imaginar cómo cambia el comportamiento del animal dependiendo de las circunstancias externas e internas. Por ejemplo, Aplizia exhibe un comportamiento muy complejo durante el período de apareamiento, su comportamiento durante este período cambia y las posibles reacciones al mismo estímulo cambian. Es decir, se puede decir acerca de la existencia de un cierto "interruptor" en el sistema nervioso del molusco.





La red está configurada de modo que cuando se activa el receptor "R", se produce la respuesta refleja "1". Pero si modelamos esta red de elementos neuronales activando el receptor F, entonces la respuesta refleja "2" se producirá en el mismo receptor "R". El factor modulador del sistema nervioso puede ser la presencia de cierta hormona en el cuerpo, lo que explica cómo cambia el comportamiento del animal, por ejemplo, durante el período de fertilidad.

Source: https://habr.com/ru/post/es397375/