Simulator sistem saraf. Bagian 2. Modulasi neuroelement

Dalam gambar judul, kerang dari genus Aplizia, dalam sistem sarafnya hanya ada 20.000 sel saraf. Hampir sama dengan di sistem saraf Anda, dendrit, akson, mediator yang sama. Protein dan zat yang sama. Dan jalan untuk memahami sifat kesadaran dan perilaku intelektual yang kompleks tidak dapat melewati makhluk sederhana ini.

Halo, Geektimes, dan kami beralih ke bagian kedua, yang akan dikhususkan untuk jenis neuroelements kedua - ini adalah neuroelement yang dimodulasi.

Isi
1. Simulator sistem saraf. Bagian 1. Penambah sederhana
2. Simulator sistem saraf. Bagian 2. Modulasi neuroelement
3. Simulator sistem saraf. Bagian 3. Neuroelement asosiatif
4. Memori, konsolidasi memori, dan neuron nenek.
5. Pemodelan emosi atau rasa kebaruan elektronik
6. Otak kecil
7. Struktur otak dan pengaturan awal

Ada tiga jenis aktivitas refleks: kecanduan, kepekaan, dan pembentukan refleks terkondisi. Jenis-jenis kegiatan ini diidentifikasi oleh akademisi Pavlov I.P. dan jika model kita tidak meniru ini, maka ini bukan model sistem saraf, tetapi model dari sesuatu yang lain.



Kecanduan

Kecanduan adalah fenomena karena fakta bahwa setelah tindakan berulang dari stimulus yang acuh tak acuh, baik hewan dan sel berhenti meresponsnya. Sebagai contoh, suara latar belakang yang dapat kita gunakan dan setelah beberapa saat kita berhenti mendengarnya, atau jika Anda memakai cincin itu untuk waktu yang lama, Anda mungkin tidak merasakan tekanan pada kulit, dll.

Kecanduan diterapkan dengan cara berikut. Ketika neuroelement diaktifkan, ia memasuki keadaan aktivitas di mana ia berhenti merespons faktor-faktor pengaktif, seperti sinyal, dari sinapsis kontak atau jika ambang total terlampaui pada penambah. Setelah beberapa waktu, neuroelement menghasilkan jawaban untuk semua sinaps transmisi yang dimilikinya. Setelah sinyal ditransmisikan, waktu lain berlalu, yang ditetapkan sebagai waktu istirahat atau pemulihan. Selanjutnya, keadaan aktivitas digantikan oleh keadaan harapan, di mana neuroelement dapat merespons faktor-faktor pengaktif dan kembali memasuki keadaan aktivitas. Untuk neuroelement yang dimodulasi setelah fase aktivitas, ada waktu evaluasi, selama itu ditentukan apakah neuroelement akan diaktifkan kembali.

Jika aktivasi ulang terjadi selama periode ini, maka ada hitungan pengulangan. Yaitu, setiap kali aktivasi terjadi selama evaluasi, penghitung ulang akan bertambah satu, tetapi jika aktivasi tidak terjadi selama evaluasi, penghitung diatur ulang. Ini adalah bagaimana aktivasi dihitung jika mereka dibuat cukup sering.



Dan jika jumlah pengulangan di atas batas tertentu, maka ambang penambah neuroelement meningkat dengan nilai tertentu. Dengan demikian, neuroelement menaikkan ambangnya sampai berhenti merespons ke tingkat paparan yang mengaktifkannya.

Contoh kecanduan:





Adaptasi

Berbeda dengan kecanduan, mekanisme adaptasi harus disorot. Adaptasi adalah kemampuan sel untuk kembali ke tingkat sensitivitas sebelumnya dari waktu ke waktu. Bahkan setelah terbiasa, jika untuk waktu yang lama tidak ada iritasi yang kecanduan telah dikembangkan, maka kekuatan kecanduan ini menurun, dan dapat hilang sama sekali.

Kecepatan pemulihan dapat berbeda dalam beberapa kasus, dan kadang-kadang dapat berlangsung berjam-jam atau bahkan berhari-hari, dan dalam beberapa kasus terjadi sangat cepat.

Contoh dengan adaptasi:





Mekanisme pembiasaan dapat direpresentasikan sebagai mekanisme pertahanan, dengan aktivasi jaringan saraf yang sangat sering, ada kemungkinan penipisan, kematian dan kerusakan yang tinggi. Oleh karena itu, untuk melindungi sensitivitas neuron berkurang, dan itu lebih jarang mulai merespons rangsangan.

Di sisi lain, jika neuron tidak aktif, maka neuron tidak akan melakukan tugasnya dan, karenanya, itu akan menjadi konsumsi energi yang tidak berguna. Oleh karena itu, ada mekanisme adaptasi yang meningkatkan sensitivitas terhadap rangsangan eksternal, yang meningkatkan kemungkinan aktivasi neuron.

Sifat-sifat dari kecanduan neuroelement dan adaptasi memecahkan masalah looping, sangat sering dalam neuron jaringan saraf digabungkan sehingga mereka membentuk loop transmisi eksitasi saraf, transfer cincin kecil seperti jika menunjukkan busur refleks di sepanjang jalur propagasi eksitasi. Tetapi dengan gigi ring eksitasi, tidak ada perulangan tanpa akhir, seiring waktu, roda gigi ini juga berhenti, karena cepat terbiasa.



Sensitisasi

Jenis kedua aktivitas refleks adalah sensitisasi. Sensitisasi adalah peningkatan kepekaan terhadap efek stimuli, bahkan acuh tak acuh, jika ini didahului oleh peristiwa penting bagi tubuh.
Misalnya, untuk seekor anjing, suara tertentu adalah stimulus yang acuh tak acuh yang sebelumnya tidak bereaksi. Kemudian, jika iritasi yang tidak menyenangkan tiba, misalnya, sengatan listrik, anjing akan terkejut untuk sementara waktu, dan bahkan bunyi yang acuh tak acuh akan menyebabkan perilaku yang khas, suatu reaksi perlindungan.
Untuk mensimulasikan kepekaan, kita beralih ke karya Eric Kandel, peraih Nobel dalam bidang fisiologi. Dia menjelaskan secara terperinci efek modulasi sinapsis pada contoh sistem saraf moluska Aplisia.



Moluska memiliki reaksi perlindungan dalam menanggapi semua jenis sentuhan, pencabutan insang. Dalam eksperimennya, Eric Kandel kecanduan Aplizia dengan ringan menyentuh sifonnya sehingga refleks pelindung tidak bekerja. Refleks pelindung dipertahankan untuk benturan keras pada siphon, tetapi tidak ada dengan benturan lemah. Tetapi jika sentuhan ringan siphon didahului oleh dampak pada ekor moluska, maka refleks pelindung bekerja dengan kekuatan yang sama dan insang dipertahankan.


[Ilustrasi dari buku Eric Kandel "In Search of Memory"]

Sistem saraf aplisia terdiri dari sejumlah kecil sel yang dapat diidentifikasi dan oleh karena itu dimungkinkan untuk membuat pola refleks. Dimungkinkan untuk sepenuhnya membedakan busur refleks yang bertanggung jawab atas reaksi perlindungan jika terjadi iritasi siphon - ini adalah rantai utama. Dan rantai neuron yang bertanggung jawab untuk modulasi adalah rantai modulasi, yang diaktifkan ketika ekor moluska terbuka.

Eric Kandel menjelaskan secara rinci bagaimana modulasi terjadi dalam kasus ini, bahan kimia apa yang terlibat dalam proses ini, dan kaskade reaksi intraseluler. Mari mentransfer pengetahuan ini ke model kita.

Jadi di sistem kami ada beberapa jenis sinaps - modulasi. Jenis sinaps ini tidak memiliki efek pengaktifan atau penghambatan langsung, ini mempengaruhi tingkat ambang pengaktifan. Tingkat aktivasi neuroelement terdiri dari dua bagian utama dan termodulasi. Bagian utama dari ambang aktivasi adalah apa yang akan berubah dengan pembiasaan dan adaptasi. Bagian termodulasi mirip dengan penambah, semua efek dari modulasi sinapsis ditambahkan di dalamnya. Jumlah yang dihasilkan secara bertahap menurun dalam nilai absolut dan cenderung nol. Tingkat penurunan efek modulasi jauh lebih lambat daripada tingkat di mana efek total sinapsis langsung berkurang.

Kekuatan sinaps modulasi dapat berbeda dalam tandanya, yaitu dapat meningkatkan ambang, dengan demikian menurunkan sensitivitas elemen saraf, atau menurunkan ambang, meningkatkan sensitivitasnya.

Tingkat ambang dimana diperkirakan apakah elemen saraf akan diaktifkan adalah jumlah bagian utama dan modulasi, tingkat ini tidak dapat sama dengan nol atau di bawah nol.

Kami mensimulasikan percobaan Eric Kandel dengan Apliz.



Reseptor "Q", "W", "E" dan "R" adalah reseptor siphon moluska, yang masing-masing dikaitkan dengan neuroelement reseptor. Setiap neuroelement reseptor dikaitkan dengan sinapsis kerja langsung dengan neuroelement termodulasi yang dimasukkan. Yang pada gilirannya dikaitkan dengan neuroelement motor, yang mengirimkan sinyal ke indikator "1". Indikator "1" akan menjadi analog dari tindakan pengurangan insang di Aplizia.

Awalnya, jaringan dikonfigurasi sehingga aktivitas masing-masing reseptor siphon akan mengarah pada tindakan "1". Tetapi dengan “gelitik” yang berkepanjangan, aktivasi sekuensial reseptor siphon yang santai, setelah beberapa waktu neuroelement yang adiktif menjadi kecanduan dan tidak ada respons yang terjadi. Tetapi, jika kita bertindak pada reseptor siphon lebih kuat, mengaktifkan beberapa reseptor sekaligus, atau melakukannya lebih cepat, maka kita akan melihat bahwa reaksi "1" akan tetap bekerja. Dalam hal ini, mekanisme adaptasinya akan sangat lama, dan kita bisa mengabaikannya.

Juga dalam skema kami ada reseptor “F”, reseptor ekor moluska, yang berhubungan dengan neuroelement yang memiliki efek modulasi sinaps pada neuroelement yang dimasukkan. Sinaps ini menurunkan tingkat ambang neuroelement pada waktu tertentu, yang membuat neuroelement lebih sensitif dan selama periode ini, aktivasi bahkan satu reseptor siphon menyebabkan reaksi "1".

Mekanisme sensitisasi di Aplizia adalah prototipe dari keadaan emosional kecemasan dan ketakutan pada hewan dengan sistem saraf yang lebih berkembang. Pada hewan seperti itu, sensitisasi tidak melibatkan rantai neuron yang terpisah, tetapi seluruh area dalam sistem saraf. Area yang bertanggung jawab atas ketakutan dan kecemasan adalah amigdala, amandel, dan ketika diaktifkan, pilih mediator modulasi (adrenalin, norepinefrin). Mediator ini dapat memiliki efek pada korteks motorik, meningkatkan sensitivitas neuron, yang meningkatkan aktivitas di dalam motor mobil. Ini berarti bahwa motivasi internal yang kurang diperlukan untuk mengambil beberapa tindakan, yang memungkinkan Anda untuk dengan cepat melarikan diri dari bahaya atau untuk menyerang dan menunjukkan agresi secara lebih aktif.

Beralih

Neuroelements yang dimodulasi juga memungkinkan kita untuk membayangkan bagaimana perilaku hewan berubah tergantung pada keadaan eksternal dan internal. Sebagai contoh, Aplizia menunjukkan perilaku yang sangat kompleks selama periode kawin, perilakunya selama periode ini berubah, dan kemungkinan reaksi terhadap perubahan rangsangan yang sama. Artinya, dapat dikatakan tentang keberadaan "saklar" tertentu dalam sistem saraf moluska.





Jaringan dikonfigurasikan sehingga ketika reseptor "R" diaktifkan, respons refleks "1" terjadi. Tetapi jika kita memodelkan jaringan elemen saraf ini dengan mengaktifkan reseptor F, maka respons refleks "2" akan terjadi pada reseptor yang sama "R". Faktor modulasi untuk sistem saraf mungkin adalah adanya hormon tertentu dalam tubuh, yang menjelaskan bagaimana perilaku hewan berubah, misalnya, selama periode kesuburan.

Source: https://habr.com/ru/post/id397375/