Cerebelo increíble

¿Qué es sorprendente en el cerebelo? El departamento de cerebro, que nos dio la oportunidad de disfrutar de la belleza y el esplendor de la música, la increíble precisión y la gracia de los movimientos de baile.

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 y configuración cerebral inicial

El cerebro y el sistema nervioso en su conjunto funcionan con las mismas señales discretas, pulsos cortos, cuya amplitud es la misma y la forma de controlar varios compuestos orgánicos es cambiar el número de pulsos por unidad de tiempo, es decir. frecuencia de señal Además, el grado de impacto en el receptor está determinado precisamente por el cambio en la frecuencia de los pulsos.

Nuestro sistema motor tiene el potencial de acciones muy precisas, movimientos suaves o movimientos precisos de nuestras extremidades. Para lograr esto, los músculos, que requieren una gran flexibilidad en el control, se dividieron en unidades motoras. Una unidad motora es una neurona motora y las fibras musculares asociadas. Y mientras más unidades motoras participan en la actividad, mayor es el esfuerzo que surge de la contracción muscular. Además, las fibras musculares de varias unidades motoras están entrelazadas para distribuir la carga y el campo de acción. Por lo tanto, es posible controlar los músculos no solo debido a la frecuencia de activación de las unidades motoras, sino a su número total involucrado en la actividad.



Imagine un reflejo simple para el cual la activación de su título conduce a una contracción completa del músculo. En este reflejo, todas las unidades motoras se activarán casi al mismo tiempo. Pero en el proceso de la vida, puede surgir la necesidad, por ejemplo, de contraerse suavemente o relajar el músculo de manera planificada, o solo se requiere una relajación suave del músculo, pero luego su rápida reducción.



En el ejemplo simulado, varios reflejos conducen a una naturaleza diferente de la activación del músculo hipotético, teniendo en cuenta el hecho de que cada indicador de acción es una unidad motora de un músculo. En el ejemplo, hay un reflejo principal, cuya activación conduce al lanzamiento simultáneo de todas las unidades motoras. Sobre la base de este reflejo, los reflejos han sido creados, por así decirlo, por una superestructura, que asegura el encendido o apagado secuencial de las unidades motoras, lo que agrega algún factor de tiempo.

En el proceso de desarrollo, el animal aprende a controlar su cuerpo, y el entrenamiento se lleva a cabo no solo en la forma de crear asociaciones, vincular algunos eventos, sino también la proporción de estos eventos en el tiempo, y con bastante precisión. Por supuesto, la propagación de la excitación a lo largo del arco reflejo da un factor de tiempo, pero los mecanismos de formación de reflejos no permiten que este factor sea lo suficientemente preciso. El sistema nervioso debe tener un mecanismo para recordar los intervalos de tiempo entre las acciones, además lo suficientemente flexible como para la posibilidad de reentrenamiento.

Al desarrollar la teoría del cerebro y estudiar el sistema nervioso, el cerebelo me sorprendió mucho, sus características difieren mucho de otras estructuras cerebrales. En primer lugar, esta es la proporción del tamaño del cerebelo y el funcional prescrito. El cerebelo ocupa aproximadamente el 14% de todo el cerebro (para los animales, la proporción aumentará) y, como saben, sirve para coordinar nuestro cuerpo y también realiza algunas funciones autónomas. En este caso, el daño al cerebelo causa una violación de la coordinación en forma de dificultad para mantener el equilibrio, la precisión de los movimientos, la escritura desigual, el habla lenta, etc. Para el éxito del animal, estas funciones son muy importantes, pero el tamaño del cerebelo es mayor, por ejemplo, que las áreas de Wernicke y Broca juntas, aunque estas áreas son responsables del habla humana, es decir, realizan una funcionalidad más compleja con tamaños más pequeños.

En segundo lugar, en el cerebelo hay formas inusuales de neuronas: las células de Purkinje. Las dendritas de estas células se ramifican fuertemente en un lado del núcleo celular y se ramifican en el mismo plano. Esta forma de la célula debe deberse a algo, generalmente las dendritas de las neuronas crecen sin una orientación estricta en los planos.



En tercer lugar, la estructura de la corteza cerebelosa es significativamente diferente de la estructura de la corteza neocortex. En la corteza cerebelosa, solo se distinguen tres capas: la molecular, la capa de células de Purkinje y la capa granular. Si en el proceso de evolución la neocorteza aumentó el número de sus capas, esto no sucedió en el cerebelo. Por lo general, la evolución no toca lo que funciona bien y cumple suficientemente su funcionalidad. Teniendo en cuenta que el cerebelo aparece evolutivamente bastante temprano, se puede decir que la estructura de su corteza está perfectamente perfeccionada por la evolución bajo sus funciones.



Una de las características de la estructura de la corteza cerebelosa es la presencia de fibras paralelas: estos son axones de células de grano (células granulares), que se propagan paralelas entre sí y perpendiculares al plano de crecimiento de las dendritas de las células de Purkinje. Quizás la forma de las células de Purkinje se deba al hecho de que aumenta la probabilidad de contacto entre la fibra paralela y la dendrita de las células de Purkinje durante su crecimiento y desarrollo de la corteza. La célula de Purkinje es una "célula trampa" para el crecimiento de fibras paralelas.

Se sabe que el potencial de acción toma la forma de un impulso corto y se extiende a lo largo del tejido nervioso a una velocidad limitada, aproximadamente 1 m / s. Esto sugiere la idea de que el complejo de fibras paralelas y células de Purkinje es un tipo de temporizador que se activa por la activación de la célula granular, y los intervalos de tiempo se cuentan por la activación secuencial de las células de Purkinje por el potencial de acción propagado a lo largo de las fibras paralelas.



Basado en esta suposición, se desarrolló un modelo que representa una fuerte simplificación de la estructura del cerebelo. Por lo general, las células de Purkinje tienen un efecto inhibitorio en los núcleos cerebelosos, en la corteza misma hay muchas células inhibidoras, así como fibras lianoides, pero no tendremos en cuenta todo con el fin de simplificarlo. El propósito del modelo es comprender los principios del funcionamiento del cerebelo.

Imagine un reflejo simple, una acción ocurrirá en un solo estímulo. Y necesitamos entrenar la red neuronal para que no haya una sola respuesta a un estímulo dado, sino una serie de respuestas con cierto ritmo. En el método asociativo habitual esto es casi imposible de lograr. Necesita algún tipo de herramienta que cuente el tiempo entre eventos. Dicha herramienta es un complemento de tiempo, es un análogo del cerebelo biológico.



El complemento de temporización se basa en una serie de elementos neuronales conectados en serie. La señal que activa esta cadena pasa a través del circuito de frenado colateral, este circuito pasa solo una señal, esto es necesario para que no haya interacción y competencia entre los elementos de la cadena. Todos los cambios que conducen al aprendizaje ocurren en las sinapsis de las neuronas plásticas, cada neurona plástica tiene su propio elemento en el circuito, que es un análogo del complejo de células de Purkinje y fibras paralelas.

Cuando la actividad de una neurona plástica coincide con un neuroelemento que representa una parte del arco reflejo, se produce un aumento de la fuerza y ​​el fortalecimiento de la sinapsis que los conecta. En ausencia de coincidencia, se producirá una disminución de la fuerza. La tasa de estos cambios depende de la medida de la neuroplasticidad de las neuronas plásticas. Inicialmente, la fuerza de las sinapsis de los neuroelementos plásticos no es suficiente para activar al representante, solo después de algunas coincidencias consecutivas, la acción de la sinapsis será suficiente para activarse. Después de algunas repeticiones más, esta situación se fortalecerá. Por supuesto, podemos controlar la velocidad de aprendizaje cambiando la medida de plasticidad en los neuroelementos plásticos.

Ahora, si repetimos el reflejo, activando el estímulo con el ritmo necesario, luego de un tiempo con una sola activación del estímulo obtendremos la respuesta en un ritmo aprendido.



En el ejemplo anterior, el ritmo se memoriza. Por supuesto, se puede establecer cualquier ritmo. El esquema de ejemplo se basa en los elementos neuronales que se describieron en versiones anteriores.

Podemos concluir que la función del cerebelo es la preservación de cortos intervalos de tiempo en memoria de diversas acciones motoras.

Como se puede ver en los ejemplos del trabajo del complemento de temporización, solo puede funcionar con una unidad motora, cada unidad motora requiere su propio complejo. Al tener para cada unidad motora su propia cadena de células de Purkinje, es posible aprender no solo a "vencer" los ritmos, sino también al carácter de los movimientos (suavidad, agudeza) debido a la coordinación de cada unidad motora en el tiempo.



Hay un aumento en los volúmenes cerebelosos en personas cuyas actividades están asociadas con tareas donde se requiere almacenar intervalos de tiempo exactos (tiempos) en las acciones motoras en la memoria. Estos son, en primer lugar, músicos, bailarines y atletas.

Se puede observar que se requiere un número significativo de células para registrar intervalos de tiempo en la memoria; esto conduce a grandes tamaños relativos del cerebelo. Pero el esquema elegido por la evolución está dirigido, en primer lugar, a la fiabilidad y la flexibilidad.

Al crear modelos fundamentales del cerebro, no es necesario tener en cuenta todos los esquemas elegidos por la evolución y es posible utilizar un elemento neural que funcione como un complejo completo de células de Purkinje y fibras paralelas.

Source: https://habr.com/ru/post/es397707/