Cervelet incroyable

Qu'est-ce qui est surprenant dans le cervelet? Le département du cerveau, qui nous a permis d'apprécier la beauté et la splendeur de la musique, la précision et la grâce incroyables des mouvements de danse.

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 et paramètres cérébraux de départ

Le cerveau et le système nerveux dans leur ensemble fonctionnent avec les mêmes signaux discrets, des impulsions courtes, dont l'amplitude est la même et la façon de contrôler divers organiques est de changer le nombre d'impulsions par unité de temps, c'est-à-dire fréquence du signal. De plus, le degré d'impact sur le récepteur est déterminé précisément par le changement de fréquence des impulsions.

Notre système moteur a le potentiel pour des actions très précises, pour des mouvements fluides ou des mouvements précis de nos membres. Pour ce faire, les muscles, qui nécessitent une grande flexibilité de contrôle, ont été divisés en unités motrices. Une unité motrice est un motoneurone et les fibres musculaires associées. Et plus les unités motrices sont impliquées dans l'activité, plus l'effort résulte de la contraction musculaire. De plus, les fibres musculaires de diverses unités motrices sont entrelacées afin de répartir la charge et le champ d'action. Ainsi, il est possible de contrôler les muscles non seulement en raison de la fréquence d'activation des unités motrices, mais de leur nombre total impliqué dans l'activité.



Imaginez un simple réflexe pour lequel l'activation de son titre entraîne une contraction complète du muscle. Dans ce réflexe, toutes les unités motrices seront activées presque en même temps. Mais au cours de la vie, un besoin peut survenir, par exemple, de se contracter en douceur, ou de détendre le muscle de manière planifiée, ou seule une relaxation douce du muscle est nécessaire, mais alors sa réduction rapide.



Dans l'exemple simulé, plusieurs réflexes conduisent à une nature différente d'activation du muscle hypothétique, en tenant compte du fait que chaque indicateur d'action est une unité motrice d'un muscle. Dans l'exemple, il y a un réflexe principal, dont l'activation conduit au lancement simultané de toutes les unités motrices. Sur la base de ce réflexe, des réflexes ont été créés, pour ainsi dire, par une superstructure, qui assurent la mise en marche ou l'arrêt séquentiel des unités motrices, ce qui ajoute un facteur de temps.

En cours de développement, l'animal apprend à contrôler son corps, et l'entraînement se déroule non seulement sous forme de création d'associations, reliant certains événements, mais aussi le rapport de ces événements dans le temps, et assez précisément. Bien entendu, la propagation de l'excitation le long de l'arc réflexe donne un facteur temps, mais les mécanismes de formation des réflexes ne permettent pas de rendre ce facteur suffisamment précis. Le système nerveux devrait avoir un mécanisme pour se souvenir des intervalles de temps entre les actions, en outre suffisamment flexible pour la possibilité de se recycler.

En développant la théorie du cerveau et en étudiant le système nerveux, j'ai été très surpris par le cervelet, ses caractéristiques sont très différentes des autres structures cérébrales. Tout d'abord, c'est le rapport entre la taille du cervelet et la fonction qui lui est prescrite. Le cervelet occupe environ 14% de l'ensemble du cerveau (pour les animaux, le ratio sera en hausse) et, comme vous le savez, sert à coordonner notre corps et remplit également certaines fonctions autonomes. Dans ce cas, les dommages au cervelet provoquent une violation de la coordination sous la forme de difficultés à maintenir l'équilibre, la précision des mouvements, une écriture inégale, une lenteur de la parole, etc. Pour le succès de l'animal, ces fonctions sont très importantes, mais la taille du cervelet est plus grande, par exemple, que les zones de Wernicke et Broca ensemble, bien que ces zones soient responsables de la parole humaine, c'est-à-dire qu'elles exécutent des fonctionnalités plus complexes avec des tailles plus petites.

Deuxièmement, dans le cervelet, il existe des formes inhabituelles de neurones - les cellules de Purkinje. Les dendrites de ces cellules se ramifient fortement d'un côté du noyau cellulaire et se ramifient dans le même plan. Cette forme de cellule doit être due à quelque chose, généralement des dendrites de neurones se développent sans orientation stricte dans les plans.



Troisièmement, la structure du cortex cérébelleux est significativement différente de la structure du cortex néocortex. Dans le cortex cérébelleux, seules trois couches sont distinguées: la couche moléculaire, la couche cellulaire de Purkinje et la couche granulaire. Si dans le processus d'évolution le néocortex augmentait le nombre de ses couches, cela ne s'est pas produit dans le cervelet. Habituellement, l'évolution ne touche pas à ce qui fonctionne bien et remplit suffisamment sa fonctionnalité. En considérant que le cervelet apparaît évolutivement assez tôt, on peut dire que la structure de son cortex est parfaitement affinée par l'évolution sous ses fonctions.



L'une des caractéristiques de la structure du cortex cérébelleux est la présence de fibres parallèles - ce sont des axones de cellules céréalières (cellules granulaires) qui se propagent parallèlement les unes aux autres et perpendiculairement au plan de croissance des dendrites des cellules de Purkinje. La forme des cellules de Purkinje est peut-être due au fait qu'elle augmente la probabilité de contact entre la fibre parallèle et la dendrite des cellules de Purkinje pendant leur croissance et leur développement du cortex. La cellule de Purkinje est une "cellule piège" pour la croissance de fibres parallèles.

On sait que le potentiel d'action prend la forme d'une impulsion courte et se propage le long du tissu nerveux à une vitesse limitée, environ 1 m / s. Cela suggère l'idée que le complexe de fibres parallèles et de cellules de Purkinje est une sorte de temporisateur qui est déclenché par l'activation de la cellule granulaire, et les intervalles de temps sont comptés par l'activation séquentielle des cellules de Purkinje par le potentiel d'action propagé des fibres parallèles.



Sur la base de cette hypothèse, un modèle a été développé qui représente une forte simplification de la structure du cervelet. Habituellement, les cellules de Purkinje ont un effet inhibiteur dans les noyaux cérébelleux, dans le cortex lui-même il y a de nombreuses cellules inhibitrices, ainsi que des fibres lianoïdes, mais nous ne prendrons pas tout en compte à des fins de simplification. Le but du modèle est de former une compréhension des principes de fonctionnement du cervelet.

Imaginez un simple réflexe, une action se produira sur un seul stimulus. Et nous devons former le réseau neuronal pour qu'il n'y ait pas une seule réponse à un stimulus donné, mais une série de réponses avec un certain rythme. En utilisant la méthode associative habituelle, cela est presque impossible à réaliser. Vous avez besoin d'une sorte d'outil qui compte le temps entre les événements. Un tel outil est un complément temporel, c'est un analogue du cervelet biologique.



Le complément de synchronisation est basé sur une série d'éléments neuronaux connectés en série. Le signal qui démarre cette chaîne passe par le circuit de freinage collatéral, ce circuit ne fait passer qu'un seul signal, cela est nécessaire pour qu'il n'y ait pas d'interaction et de compétition entre les éléments de la chaîne. Tous les changements menant à l'apprentissage se produisent dans les synapses des neurones plastiques, chaque neurone plastique a son propre élément dans le circuit, qui est un analogue du complexe des cellules de Purkinje et des fibres parallèles.

Lorsque l'activité d'un neurone plastique coïncide avec un neuroélément représentant une partie de l'arc réflexe, une augmentation de la force et un renforcement de la synapse les reliant se produisent. En l'absence de coïncidence, une diminution de la force se produira. Le taux de ces changements dépend de la mesure de la neuroplasticité des neurones plastiques. Initialement, la force des synapses des neuroéléments plastiques n'est pas suffisante pour activer le représentant, seulement après quelques coïncidences consécutives, l'action de la synapse sera suffisante pour s'activer. Après quelques répétitions, cette situation sera renforcée. Bien sûr, nous pouvons contrôler la vitesse d'apprentissage en modifiant la mesure de la plasticité dans les neuroéléments plastiques.

Maintenant, si nous répétons le réflexe, en activant le stimulus avec le rythme nécessaire, puis après un certain temps avec une seule activation du stimulus, nous obtiendrons la réponse dans un rythme appris.



Dans l'exemple ci-dessus, le rythme est mémorisé. Bien sûr, n'importe quel rythme peut être défini. Le schéma d'exemple est basé sur les éléments neuronaux décrits dans les versions précédentes.

Nous pouvons conclure que la fonction du cervelet est la préservation de courts intervalles de temps en mémoire dans diverses actions motrices.

Comme on peut le voir sur les exemples de travail du module de synchronisation, il ne peut fonctionner qu'avec une seule unité moteur, chaque unité moteur nécessite son propre complexe. Ayant pour chaque unité motrice sa propre chaîne de cellules Purkinje, il est possible d'apprendre non seulement à «battre» les rythmes, mais aussi au caractère des mouvements (régularité, netteté) grâce à la coordination de chaque unité motrice dans le temps.



Il y a une augmentation des volumes cérébelleux chez les personnes dont les activités sont associées à des tâches où il est nécessaire de stocker des intervalles de temps exacts (minutages) dans les actions motrices en mémoire. Ce sont d'abord des musiciens, des danseurs et des athlètes.

On peut noter qu'un nombre important de cellules sont nécessaires pour enregistrer des intervalles de temps en mémoire, ce qui conduit à de grandes tailles relatives du cervelet. Mais le schéma choisi par l'évolution vise avant tout la fiabilité et la flexibilité.

Lors de la création de modèles fondamentaux du cerveau, il n'est pas nécessaire de prendre en compte tous les schémas choisis par l'évolution et il est possible d'utiliser un élément neuronal qui fonctionne comme tout un complexe de cellules de Purkinje et de fibres parallèles.

Source: https://habr.com/ru/post/fr397707/