Mémoire, consolidation de la mémoire et neurones de grand-mère

La première question qui se pose aux chercheurs sur le système nerveux et les processus cognitifs est: qu'est-ce que la mémoire? Qu'est-ce que la mémoire en termes biologiques? Comment la mémoire apparaît-elle au niveau d'un neurone individuel? Et sous quelle forme les informations sont-elles stockées dans le système nerveux?

Et maintenant, nous allons répondre à ces questions.

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

Qu'est-ce que la mémoire sous l'aspect biologique et au niveau d'un neurone individuel?On croit depuis longtemps en neurosciences que la mémoire est associée à des changements dans l'état et la force des synapses, ainsi qu'à la sensibilité du neurone lui-même. Nous avons parlé de la façon dont des changements dans ces états peuvent se produire dans les numéros précédents lorsque nous avons parlé de dépendance et de sensibilisation en utilisant l'exemple de l'aplisie des mollusques et également lorsque nous avons étudié les mécanismes de formation de réflexes conditionnés basés sur le neuroélément associatif. Une telle représentation de la mémoire a donné naissance au concept de connexion, qui est une description complète de toutes les connexions du système nerveux, en tenant compte de la qualité et des propriétés de ces connexions. Nous pouvons dire que vous, votre personnalité est votre connexion. Si à un moment vous avez la possibilité de répéter complètement votre connexion, vous obtiendrez une personnalité identique à vous avec les mêmes souvenirs et compétences.

Sebastian Seung: je suis ma connexion (2010)

Sous quelle forme les informations sont-elles stockées dans le système nerveux? Si nous parlons du système nerveux du mollusque, alors tout est limité par les réglages des synapses dans les chaînes de neurones des réflexes existants. Mais si vous vous tournez vers le système nerveux des mammifères, il dispose d'un outil qui vous permet de former des réflexes qui n'ont pas été donnés à l'animal dès la naissance. Les réflexes du système nerveux sont représentés par des arcs réflexes ou des chaînes de neurones le long desquels l'excitation nerveuse est transmise séquentiellement. On peut imaginer que les chaînes de neurones forment des modèles entiers de chemins le long desquels l'excitation se propage, certains chemins sont très grands, comme les autoroutes, d'autres sont plus petits, des chemins plus détaillés, et tout cela est soumis à certains changements et changements.

Lorsque nous parlons d'arcs réflexes, une chaîne séquentielle de neurones uniques semble exister, mais en fait, pour le système nerveux central, de nombreux neurones sont impliqués dans l'arc réflexe et ces chaînes de transmission sont constituées d'un ensemble de cellules. Bien que, en fait, chaque cellule de ce tableau contienne presque les mêmes informations, et en supprimant non pas une, mais des régions entières des cellules, le réflexe auquel elles appartenaient peut être préservé. Cela peut sembler irrationnel du point de vue de l'économie d'espace et de ressources, mais du point de vue de la fiabilité de la sécurité de l'information, cela est justifié. Après tout, une cellule nerveuse peut être susceptible de mourir en raison de diverses conditions défavorables, de l'hypoxie, du manque de nutriments ou d'un empoisonnement toxique, et ce n'est pas souhaitable,de sorte que la mort d'une cellule entraîne la perte possible d'informations importantes pour le corps. Il s'avère qu'il est impossible d'estimer de manière fiable la quantité d'informations exploitées par le cerveau par le nombre de neurones et les connexions entre eux.

Quelle est la nature de divers degrés de profondeur de mémorisation? Les physiologistes se voient depuis longtemps attribuer deux types de mémoire, la mémoire à accès temporaire ou aléatoire et la mémoire à long terme. Autrement dit, dans certaines situations, nous nous souvenons des informations pendant une certaine courte période de temps et si nous n'y revenons pas, nous les oublions. Et dans d'autres situations, nous nous souvenons des informations pour une durée illimitée, si ces informations sont importantes pour nous, elles peuvent être enregistrées même immédiatement. Évidemment, ces deux types de mémoire sont justifiés par le fait que le corps n'a pas besoin de stocker tout ce qui lui arrive, surtout si ces informations ne sont pas importantes pour la survie et le succès et ne sont jamais répétées, car stocker des informations nécessite un gaspillage de ressources.

La transition des informations de la mémoire temporaire vers la mémoire à long terme est appelée consolidation de la mémoire. Il y a beaucoup de recherches sur ce sujet, et en travaillant sur le modèle j'ai essayé de justifier la présence et de simuler différentes profondeurs de mémorisation. Et en étudiant les matériaux de ces études, je suis arrivé à la conclusion que peut-être nous n'avons pas affaire à un type de consolidation de la mémoire, mais à au moins deux.

Le premier est la consolidation au niveau physiologique, ce sont des expériences dans lesquelles, par exemple, les poussins sont entraînés dans un certain réflexe et si rien ne se passe, alors le réflexe sera mémorisé, mais si dans les vingt minutes il y aura une action d'électrochoc ou de toxine, alors le réflexe ne sera pas sauvegardé en mémoire. Cela signifie que pendant ces vingt minutes, il existe des processus associés à la conservation des informations en mémoire qui peuvent être violés, empêchant ainsi cette conservation.

Les changements dans la structure de la cellule ne se produisent pas instantanément pendant son entraînement, cela prend un certain temps, associé à un certain nombre de réactions et transformations chimiques, à la production des protéines nécessaires et à la croissance de nouveaux processus. Mais le résultat des entraînements que nous observons parfois est presque instantané, il nous suffit d'entendre des informations et nous les possédons déjà et pouvons les exploiter. Vraisemblablement, cela est dû au fait que la cellule nerveuse a une certaine réserve pour les changements, par exemple, des vésicules supplémentaires avec un médiateur peuvent être stockées dans des synapses, qui ne seront libérées que dans les conditions d'entraînement. Mais après la formation, pour préserver l'information, il faudra augmenter la synapse et le contenu total des médiateurs en elle, en tenant compte de la réserve pour une éventuelle formation. Dans ce cas, la synapse est marquée par des protéines spéciales,ainsi qu'une certaine cascade complexe de réactions chimiques est lancée, ce qui conduit à la croissance de la synapse. La violation du cours de cette cascade complexe de réactions chimiques pendant le temps nécessaire à cela et conduit à une violation de la mémorisation.

Mais dans le modèle informatique, il n'est pas nécessaire de refléter la consolidation physiologique de la mémoire, car nous pouvons effectuer tous les changements avec des synapses virtuelles instantanément.

La forme de consolidation de la mémoire suivante est un exemple du fait que les informations répétées plusieurs fois sont assimilées pendant longtemps, et les informations qui n'ont pas de couleur émotionnelle et qui ont été présentées une fois ou en quantité assez petite seront oubliées après un certain temps. J'appelle ce type de consolidation hiérarchique, regardons ce type de consolidation sur l'exemple de l'assimilation du réflexe conditionné habituel et de l'utilisation du modèle.



La partie précédente a montré un exemple de formation d'un réflexe conditionné à partir de neuroéléments associatifs. Voyons maintenant comment se forme le réflexe conditionné au niveau du système central. Habituellement, les réflexes inconditionnés ont des représentations dans plusieurs zones du système nerveux à la fois, d'abord ils représentent dans la moelle épinière, si nous nous déplaçons plus loin dans la hiérarchie, puis des représentations dans certains ganglions, puis dans l'ancien cerveau, par exemple, dans l'hippocampe, et enfin, la représentation dans le écorce.





Sur le modèle, vous voyez deux zones sélectionnées, elles sont isolées, c'est-à-dire les neuroéléments appartenant à ces zones n'exercent aucun effet les uns sur les autres, à moins bien sûr qu'ils soient directement reliés par des synapses. J'ai désigné sous condition ces deux zones comme «hippocampe» (hippocampe), la zone en dessous et la zone «cortex» (cortex) au-dessus. Il y a aussi un réflexe avec le titre "R" menant à la réponse réflexe "1". Ce réflexe a deux représentations dans l'hippocampe et le cortex, ce sont deux groupes de neuroéléments blancs. Et il y a aussi deux neuroéléments récepteurs associés au récepteur «E» dans chaque région, ces neuroéléments sont indifférents, et leur activation ne conduira à aucune réponse, mais créera une activité aléatoire. L'essentiel est que la neuroplasticité de ces deux zones soit différente, dans la zone désignée comme hippocampe la plasticité est plus élevée,que dans le cortex.
Si nous activons le réflexe avec le titre "R" et le stimulus inconditionné "E" dans approximativement le même intervalle de temps, alors un nouvel arc réflexe se formera, mais cela se produira très probablement dans la zone à ductilité élevée.



Le réflexe formé uniquement dans la zone à haute plasticité sera entièrement fonctionnel, mais peut être perdu car sous l'influence d'autres stimuli, les neurones peuvent être recyclés. L'hippocampe est beaucoup plus petit que le cortex, mais presque toutes les représentations y sont présentes, comme dans le cortex. La nécessité de former de nouvelles connexions tout le temps force l'utilisation de cellules qui ont déjà participé à la formation de réflexes.



Si nous continuons à nous entraîner avec une combinaison de stimuli «E» et «R», puis après un certain nombre de répétitions, un arc réflexe se formera également dans la zone à faible ductilité.



Maintenant, le réflexe est protégé de manière plus fiable, même s'il disparaît de la zone à haute plasticité, il sera toujours exécuté.



Bien sûr, le recyclage des neurones dans les zones à faible ductilité est possible, mais cela nécessitera plus de temps et d'efforts.

Ainsi, il y a deux étapes de mémorisation: avant la formation d'un réflexe dans le cortex et après. Sauvegarder une copie du réflexe non seulement dans l'hippocampe mais aussi dans le cortex cérébral est une consolidation hiérarchique de la mémoire.
Mais comme c'est le cas pour les informations dont on se souvient immédiatement et pendant longtemps, ces informations sont généralement accompagnées d'une sorte d'expérience émotionnelle. Par exemple, il suffit qu'une personne se brûle une fois dans une poêle sur une cuisinière pour s'en souvenir toute sa vie.

Nos récepteurs de la douleur sont liés à une partie du cerveau appelée amygdale ou amygdale. L'amygdale contrôle la région des points bleus du système nerveux, qui se compose de neurones de noradrénaline. Les axones de ces neurones ont des terminaisons dans toutes les régions du cerveau, leur tâche est de fournir, si nécessaire, de la noradrénaline à autant de cellules que possible.



La norépinéphrine dans notre cas est un signal pour augmenter la neuroplasticité. Il s'agit d'une sorte de commande «maintenant imprimée», et sous l'influence de la noradrénaline, les cellules nerveuses essaient de se modifier le plus rapidement possible. Et en conséquence, lorsque les actions de la norépinéphrine cessent, les cellules reviennent à leur état de fonctionnement, préservant tous les changements qui leur sont arrivés.

Examinons donc cela dans un modèle.

Les zones du programme non seulement séparent et isolent logiquement les éléments neuronaux, mais il est également possible de personnaliser certains scénarios pour l'interaction de ces zones.

Le système d'organisation dans le modèle peut être décrit comme quelque chose de similaire à un hyper réseau (réseau de réseaux) des conférences de Konstantin Anokhin. Mais les objets en réseau d'un niveau supérieur sont des zones différentes du cerveau. La nature de leur interaction dans le système est particulière, l'activité d'une région peut conduire à l'inhibition de tous les neurones d'une autre, ou avoir un caractère modulant, ou affecter la plasticité. Un sentiment de peur (activité de l'amygdale) conduit à une augmentation de la sensibilité des neurones dans le cortex moteur, c'est-à-dire la modulation se produit pour abaisser le seuil d'activation des neurones. Par conséquent, lorsque la peur nous engloutit, nous pouvons rapidement fuir le danger, nos muscles ne deviennent pas plus forts en même temps, nous avons juste besoin de moins de motifs internes pour agir.



Il existe des réseaux groupés de neuroéléments, et ces groupes peuvent également être organisés sur le réseau déjà avec leurs propres modèles d'interaction. Dans ce cas, il y a un scénario dans lequel, lorsque l'activité se produit dans la zone appelée "amigdala" (amygdale) dans la zone "cortex", la plasticité augmente de deux secondes.

Sans activation des amygdales:



Avec activation des amygdales:



Ainsi, il s'avère que sous stress, l'entraînement se déroule dans le cortex aussi rapidement que dans les zones à forte plasticité.



Le système de mémoire hiérarchique peut être représenté comme suit. Il y a plusieurs zones isolées, dans chaque plasticité ultérieure sera moindre, ce qui signifie que chaque zone suivante sera moins affectée. Dans chacune de ces zones, il y aura une représentation du stimulus. Et il y aura également la possibilité de contrôler la vitesse de mémorisation au moyen de signaux conduisant à un changement à court terme de la ductilité.

D'une part, nous avons un certain filtre d'informations qui stocke de meilleures informations souvent répétées, d'autre part, la capacité de se souvenir instantanément des informations importantes pour le corps.
Récemment, je suis tombé sur un message: la stimulation de la tache bleue a enseigné aux souris une "longue" mémoire.

Images
Il est faux de considérer la mémoire humaine uniquement sur la base des réflexes conditionnés les plus simples; pour beaucoup, cela peut sembler très primitif par rapport aux informations sur lesquelles une personne peut opérer. Et donc, nous parlerons d'un concept comme une image, et comment les images se forment au niveau des cellules nerveuses ou des neuroéléments.

Le phénomène de spécialisation des neurones observé en biologie est associé au système de formation d'images dans le cerveau. Lors de l'étude du cerveau, il a été constaté que certains neurones répondent sélectivement à un certain type de stimulus, c'est-à-dire qu'un certain groupe de neurones dans votre cerveau sera activé lorsque vous voyez ou pensez à un animal, il existe également des groupes qui ne répondent que, par exemple, sur le visage de votre grand-mère. Il y a même un nom pour ce phénomène de spécialisation des neurones, les «neurones de grand-mère».

Examinons le mécanisme permettant d'obtenir la spécialisation des neurones dans un modèle.



Nous avons un champ de récepteurs de 12 récepteurs (Q, W, E, R ... V), tous les récepteurs sont les mêmes, sont sur un pied d'égalité. Et chaque récepteur a une représentation (neurone récepteur) dans un groupe de cellules interconnectées situées dans un plan, semblable à la façon dont il est organisé dans un fragment du cortex qui traite les signaux des sens. Ce sera la zone de traitement primaire et donc les neuroéléments de cette zone ont une très grande plasticité (P = 1).

Si, par exemple, trois récepteurs (Z, X, R) sont activés à partir du champ récepteur, alors les mêmes principes d'attraction d'excitation qui sous-tendent la formation de réflexes conditionnés conduisent au fait que l'excitation semblera converger en un seul endroit. De plus, le niveau de l'effet d'activation sur le neuroélément à cet endroit sera plus élevé car les signaux d'activation proviennent de différents côtés presque simultanément. Ainsi, la spécialisation des neurones se forme automatiquement, dans ce cas, les neuroéléments qui répondent au stimulus complexe "Z + X + R" sont déterminés.



Et bien sûr, vous pouvez voir que ce système de formation de zones d'image ne fonctionne pas très précisément. Les régions des images peuvent se croiser et il est également possible que des groupes de stimuli complètement différents soient attachés à la même région. Et une telle imprécision dans le travail du cerveau peut avoir un caractère plutôt positif. En effet, dans la reconnaissance des images, la précision ne peut qu'interférer, et elle révèle également le potentiel de créativité, car combiner des images précédemment incompatibles ou voir autre chose dans une image n'est possible que parce que ces images ne sont pas si claires et n'ont pas de limites claires. Cela explique également pourquoi la perception humaine est sujette à la tromperie.

Mais pour mettre en évidence ces zones avec un niveau d'activation accru, il est nécessaire d'ajouter un autre groupe de neuroéléments qui ne seront activés que si un tel effet accru est obtenu. Nous parlerons en détail de la structure du cortex et de l'organisation du cortex dans ce numéro, ainsi que de la manière d'améliorer qualitativement le mécanisme de formation de l'image.



Connectons maintenant le système de mémoire hiérarchique et le système d'imagerie.
L'excitation d'un stimulus avant de passer au niveau de traitement suivant peut se dérouler de différentes manières. Ainsi, la voie qui choisit l'excitation est déterminée par l'influence d'autres stimuli. Ce chemin détermine à quelle représentation d'une excitation de niveau supérieur arrivera et comment le long de la hiérarchie. Étant donné la différence de plasticité aux niveaux, les images à des niveaux élevés seront plus stables, à savoir si le stimulus complexe n'est pas activé complètement ou bruyant, alors la zone qui sera plus typique de ce stimulus complexe entrera en activité. De plus, la hiérarchie dans certains cas n'est pas stricte; certains signaux provenant des récepteurs peuvent être dupliqués et sauter des niveaux.



Une telle structure de mémoire est similaire à un arbre, par exemple, aux premiers niveaux, nous pouvons identifier les neurones qui répondront à tous les visages des personnes, plus haut dans la hiérarchie, nous trouverons des neurones qui répondent aux visages de personnes familières ou aux visages que nous avons vus à plusieurs reprises et les visages de proches se trouvent aux derniers niveaux dont les visages nous sont très familiers. Le visage de notre grand-mère, que nous pouvons identifier même sous une forme très déformée, incomplète ou bruyante, car à des niveaux élevés la plasticité est très faible et le choix inexact de la "branche" conduira toujours à son activation complète.

Cette structure de la mémoire explique la raison de la grande vitesse d'extraction de l'information, l'excitation des récepteurs traverse simplement toutes les couches de traitement, s'influençant mutuellement, ces signaux déterminent le chemin par lequel l'excitation atteindra les groupes de neurones souhaités. Il n'y a aucune énumération d'informations et aucune opération de comparaison avec des informations de référence, etc. L'évolution a suivi la voie de la vitesse, plutôt que de la précision, bien que la précision de la perception ait été obtenue en augmentant les champs récepteurs et des façons spéciales d'organiser le cerveau.

Ltp
Le raisonnement sur la mémoire ne serait pas complet si nous n'abordions pas le sujet de la potentialisation à long terme. Cet effet est dû au fait que lorsqu'une cellule nerveuse est exposée à un fort effet d'activation, sa sensibilité augmente pendant un certain temps, et le temps de ce changement dans la cellule peut durer de plusieurs minutes à plusieurs semaines. Généralement, cet effet se manifeste sur les grandes cellules pyramidales de l'hippocampe, bien qu'il puisse être observé dans d'autres zones, mais à une concentration plus faible.



Sous l'influence d'une exposition accrue, une certaine cascade de réactions chimiques est lancée dans la cellule, ce qui conduit à la formation de la membrane postsynaptique de récepteurs supplémentaires, ce qui augmente la sensibilité de la cellule. Imaginons comment cela sera implémenté dans le modèle.



Considérez le schéma de sommation dans les neuroéléments qui représente un certain vaisseau rempli d'un médiateur, à partir duquel les dépenses continues de ce médiateur se produisent. Si le niveau du neurotransmetteur dans le vaisseau atteint le niveau «A», alors l'activation d'un neuroélément se produit. Si le niveau de l'effet d'activation parvient à atteindre le niveau "B", alors non seulement l'activation de l'élément neuronal se produira, mais en plus le seuil d'activation principal "A" diminuera jusqu'au niveau "C", ces changements seront temporaires.

Cette caractéristique du travail de certaines cellules hippocampiques est contraire aux principes de la dépendance au système nerveux, mais cette caractéristique est plus importante. Grâce à elle, le corps peut se souvenir de ce qui lui est arrivé il y a quelques minutes. Si vous fermez les yeux et restez silencieux pendant un certain temps, vous n’avez même pas besoin d’ouvrir les yeux pour vous rappeler des informations sur votre situation et les événements qui se sont produits plus tôt. Ce qui est étonnant ici, c'est qu'il n'y a pas de stimuli qui activerait les arcs réflexes menant aux neurones qui sont responsables de cette information.

Dans le processus d'activité de l'hippocampe, une sorte de marquage des zones et des neurones se produit par potentialisation à long terme, les zones responsables des images actives sont marquées. Vous pouvez donc facilement revenir à des images récemment activées, même avec un effet plus faible.



Imaginez qu'il existe des groupes de neurones responsables des images de lieux, par exemple des images: «travail», «maison», «rue», etc. Ensuite, en étant au travail, nous pouvons obtenir beaucoup d'images visuelles, auditives, tactiles et des signes indiquant où nous sommes. Cela conduit au fait que les neurones associés à l'image du lieu seront marqués par une potentialisation à long terme. Maintenant, à un certain intervalle de temps, alors que la potentialisation à long terme est en vigueur, un petit stimulus de l'image racine du lieu suffit pour que les neurones de l'image correspondante soient activés.



La potentialisation à long terme vous permet de vous souvenir des informations sur lesquelles l'organisme a opéré récemment, mais ces informations n'étaient ni nouvelles ni significatives. Cela augmente également le temps de la mémoire de travail.

La théorie de la mémoire qui en résulte, à mon avis, est très simple et concise, et elle découle des fondements posés dans le travail des neuroéléments.

Dans le prochain numéro, nous parlerons des émotions et j'espère vous convaincre que les émotions les plus complexes de l'esprit humain seront disponibles pour les cerveaux électroniques.

Téléchargement gratuit de simulateur de système nerveux

Dowland for Windows

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Source: https://habr.com/ru/post/fr397377/