Simulateur du système nerveux. Partie 2. Neuroélément modulé

Dans l'image du titre, la palourde du genre Aplizia, dans son système nerveux, il n'y a que 20 000 cellules nerveuses. Presque les mêmes que dans votre système nerveux, les mêmes dendrites, axones, médiateurs. Les mêmes protéines et substances. Et le chemin vers la compréhension de la nature de la conscience et du comportement intellectuel complexe ne peut pas dépasser cette modeste créature.

Bonjour, Geektimes, et nous passons à la deuxième partie, qui sera consacrée au deuxième type de neuroéléments - c'est un neuroélément modulé.

Contenu
1. Simulateur du système nerveux. Partie 1. Additionneur simple
2. Simulateur du système nerveux. Partie 2. Neuroélément modulé
3. Simulateur de système nerveux. Partie 3. Neuroélément associatif
4. Mémoire, consolidation de la mémoire et neurones de grand-mère
5. Modélisation des émotions ou sens électronique de la nouveauté
6. Cervelet étonnant
7. Structure cérébrale et paramètres de départ

Il existe trois types d'activité réflexe: la dépendance, la sensibilisation et la formation de réflexes conditionnés. Ces types d'activités ont été identifiés par l'académicien Pavlov I.P. et si notre modèle n'émule pas cela, alors ce n'est pas un modèle du système nerveux, mais un modèle d'autre chose.



La dépendance La

dépendance est un phénomène associé au fait qu'après l'action répétée d'un stimulus indifférent, l'animal et la cellule cessent d'y répondre. Par exemple, le bruit de fond auquel nous pouvons nous habituer et après un certain temps, nous arrêtons pratiquement de l'entendre, ou si vous portez l'anneau pendant une longue période, vous ne sentirez peut-être pas sa pression sur la peau, etc.

La dépendance est mise en œuvre de la manière suivante. Lorsqu'un neuroélément est activé, il entre dans un état d'activité dans lequel il cesse de répondre à des facteurs d'activation, tels qu'un signal, des synapses de contact ou lorsque le seuil de quantité totale est dépassé sur l'additionneur. Après un certain temps, le neuroélément produit une réponse à toutes les synapses de transmission dont il dispose. Une fois le signal transmis, un autre temps s'écoule, désigné comme le temps de repos ou de récupération. En outre, l'état d'activité est remplacé par un état d'attente, dans lequel le neuroélément peut répondre à des facteurs d'activation et entrer à nouveau dans l'état d'activité. Pour un neuroélément modulé après la phase d'activité, il existe un temps d'évaluation, au cours duquel il est déterminé si le neuroélément sera réactivé.

Si la réactivation se produit pendant cette période, il y a alors un nombre de répétitions. Autrement dit, chaque fois que l'activation se produit pendant l'évaluation, le compteur de répétitions est augmenté de un, mais si l'activation ne se produit pas pendant l'évaluation, le compteur est réinitialisé. C'est ainsi que les activations sont comptées si elles sont faites assez souvent.



Et si le nombre de répétitions est supérieur à une certaine limite, alors le seuil de l'additionneur du neuroélément augmente d'une certaine valeur. Ainsi, le neuroélément élève son seuil jusqu'à ce qu'il cesse de répondre au niveau d'exposition qui l'a activé.

Un exemple de dépendance: l'





adaptation

Contrairement à la dépendance, le mécanisme d'adaptation doit être mis en évidence. L'adaptation est la capacité d'une cellule à retrouver son niveau de sensibilité précédent au fil du temps. Même après s'être habitué à cela, si pendant longtemps il n'y a pas d'irritant auquel la dépendance s'est développée, la puissance de cette dépendance diminue et peut disparaître complètement.

La vitesse à laquelle la récupération a lieu peut être différente dans différents cas, et parfois elle peut durer des heures, voire des jours, et dans certains cas, elle se produit très rapidement.

Exemple avec adaptation:





Le mécanisme d'habituation peut être représenté comme un mécanisme de défense, avec une activation très fréquente du tissu nerveux, il y a une forte probabilité de son épuisement, de sa mort et de ses dommages. Par conséquent, afin de protéger la sensibilité du neurone diminue, et il commence moins souvent à répondre aux excitations.

D'un autre côté, si le neurone ne s'active pas, il n'effectuera pas ses tâches et, par conséquent, ce serait une consommation d'énergie inutile. Par conséquent, il existe un mécanisme d'adaptation qui augmente la sensibilité aux stimuli externes, ce qui augmente la probabilité d'activation d'un neurone.

Les propriétés de l'addiction et de l'adaptation des neuroéléments résolvent le problème du bouclage, très souvent dans le tissu nerveux, les neurones sont combinés de sorte qu'ils forment une boucle de transmission de l'excitation nerveuse, de tels petits transferts en anneau comme si ils indiquent un arc réflexe le long du chemin de propagation de l'excitation. Mais avec les engrenages annulaires d'excitation, il n'y a pas de boucle sans fin; au fil du temps, ces engrenages s'arrêtent également, en raison de leur habitude rapide.



Sensibilisation

Le deuxième type d'activité réflexe est la sensibilisation. La sensibilisation est une augmentation de la sensibilité aux effets des stimuli, même indifférente, si elle était précédée d'un événement important pour le corps.
Par exemple, pour un chien, un certain son est un stimulus indifférent auquel il n'a pas réagi auparavant. Ensuite, si un irritant désagréable arrive, par exemple un choc électrique, le chien sera alarmé pendant un certain temps, et même un son indifférent provoquera un comportement caractéristique, une réaction de protection.
Afin de simuler la sensibilisation, nous nous tournons vers les travaux d'Eric Kandel, lauréat du prix Nobel de physiologie. Il a décrit en détail l'effet de la modulation des synapses sur l'exemple du système nerveux des mollusques Aplisia.



Le mollusque a une réaction protectrice en réponse à toutes sortes de toucher, la rétraction des branchies. Dans ses expériences, Eric Kandel était accro à Aplizia pour toucher légèrement son siphon afin que le réflexe protecteur ne fonctionne pas. Le réflexe protecteur est conservé pour les impacts forts sur le siphon, mais il était absent avec un impact faible. Mais si le toucher léger du siphon était précédé d'un impact sur la queue du mollusque, alors le réflexe protecteur fonctionnait avec la même force et les branchies étaient préservées.


[Illustrations tirées du livre d'Eric Kandel «À la recherche de la mémoire»]

Le système nerveux des aplisies est constitué d'un nombre relativement petit de cellules qui peuvent être identifiées et il est donc possible de créer des schémas réflexes. Il est possible de distinguer complètement l'arc réflexe responsable de la réaction de protection en cas d'irritation du siphon - c'est la chaîne principale. Et la chaîne de neurones responsables de la modulation est une chaîne modulante, qui est activée lorsque la queue d'un mollusque est exposée.

Eric Kandel a décrit en détail comment la modulation se produit dans ce cas, quels produits chimiques sont impliqués dans ce processus et les cascades intracellulaires de réactions. Transférons ces connaissances à notre modèle.

Et donc dans notre système, il existe un certain type de synapse - modulant. Ce type de synapse n'a pas d'effet activateur ou inhibiteur direct, il affecte le niveau du seuil d'activation. Le niveau d'activation d'un neuroélément se compose de deux parties principales et modulées. La partie principale du seuil d'activation est ce qui changera avec l'accoutumance et l'adaptation. La partie modulée est similaire à un additionneur; tous les effets des synapses modulantes y sont ajoutés. La somme résultante diminue progressivement en valeur absolue et tend vers zéro. Le taux de diminution de l'effet modulant est beaucoup plus lent que le taux auquel l'effet total des synapses directes diminue.

La force de la synapse modulante peut être de signe différent, c'est-à-dire qu'elle peut augmenter le seuil, abaissant ainsi la sensibilité de l'élément neuronal, ou abaisser le seuil, augmentant sa sensibilité.

Le niveau de seuil par lequel il est estimé si l'élément neuronal sera activé est la somme des parties principale et modulante, ce niveau ne peut pas être égal à zéro ou inférieur à zéro.

Nous simulons les expériences d'Eric Kandel avec Apliz.



Les récepteurs «Q», «W», «E» et «R» sont des récepteurs du siphon à mollusque, chacun étant associé à un neuroélément récepteur. Chaque neuroélément récepteur est associé à des synapses à action directe avec un neuroélément modulé inséré. Qui à son tour est associé à un neuroélément moteur, qui envoie un signal à l'indicateur "1". L'indicateur "1" sera un analogue de l'action de réduction des branchies à Aplizia.

Initialement, le réseau est configuré pour que l'activité de chacun des récepteurs de siphon conduise à l'action de "1". Mais avec un «chatouillement» prolongé, une activation séquentielle tranquille des récepteurs du siphon, après un certain temps, le neuroélément addictif devient addictif et aucune réponse ne se produit. Mais, si nous agissons plus fortement sur les récepteurs du siphon, activons plusieurs récepteurs à la fois, ou le faisons plus rapidement, alors nous verrons que la réaction «1» fonctionnera toujours. Dans ce cas, le mécanisme d'adaptation sera très long et nous pouvons le négliger.

Également dans notre schéma, il y a un récepteur "F", un récepteur de queue de mollusque, qui est associé à un neuro-élément qui a un effet modulant la synapse sur un neuro-élément inséré. Cette synapse abaisse le niveau seuil d'un neuroélément d'un certain temps, ce qui rend le neuroélément plus sensible et pendant cette période, l'activation d'un seul récepteur de siphon conduit à la réaction "1".

Le mécanisme de sensibilisation d'Aplizia est un prototype de l'état émotionnel d'anxiété et de peur chez les animaux dont le système nerveux est plus développé. Chez ces animaux, la sensibilisation implique non pas des chaînes distinctes de neurones, mais des zones entières du système nerveux. La zone responsable de la peur et de l'anxiété est l'amygdale, l'amygdale, lorsqu'elle se produit, sélectionnez les médiateurs modulateurs (adrénaline, norépinéphrine). Ces médiateurs peuvent avoir un effet sur le cortex moteur, augmentant la sensibilité des neurones, ce qui augmente l'activité dans l'automobile. Cela signifie que moins de motivation interne est requise pour prendre certaines mesures, ce qui vous permet d'échapper rapidement au danger ou d'attaquer et de montrer l'agression plus activement.

Commutateur

Les neuroéléments modulés nous permettent également d'imaginer comment le comportement de l'animal est changé en fonction des circonstances externes et internes. Par exemple, Aplizia présente un comportement très complexe pendant la période d'accouplement, son comportement pendant cette période change et les réactions possibles au même changement de stimuli. Autrement dit, on peut dire sur l'existence d'un certain «interrupteur» dans le système nerveux du mollusque.





Le réseau est configuré de sorte que lorsque le récepteur "R" est activé, la réponse réflexe "1" se produit. Mais si nous modélisons ce réseau d'éléments neuronaux en activant le récepteur F, alors la réponse réflexe "2" se produira sur le même récepteur "R". Le facteur modulateur du système nerveux peut être la présence d'une certaine hormone dans le corps, ce qui explique comment le comportement de l'animal change, par exemple, pendant la période de fertilité.

Source: https://habr.com/ru/post/fr397375/