Memori, konsolidasi memori, dan neuron nenek

Pertanyaan pertama yang muncul di hadapan para peneliti sistem saraf dan proses kognitif adalah apa itu ingatan? Apa yang dimaksud dengan memori secara biologis? Bagaimana memori muncul pada tingkat neuron individu? Dan dalam bentuk apa informasi disimpan dalam sistem saraf?

Dan sekarang kita akan menjawab pertanyaan-pertanyaan ini.

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.

Apa yang dimaksud dengan memori dalam aspek biologis dan pada tingkat neuron individu?Sudah lama diyakini dalam ilmu saraf bahwa memori dikaitkan dengan perubahan keadaan dan kekuatan sinapsis, serta sensitivitas neuron itu sendiri. Kami berbicara tentang bagaimana perubahan di negara-negara ini dapat terjadi dalam masalah sebelumnya ketika kami berbicara tentang kecanduan dan kepekaan menggunakan contoh moluska Aplisia dan juga ketika kami mempelajari mekanisme pembentukan refleks terkondisi berdasarkan pada neuroelement asosiatif. Representasi memori semacam itu memunculkan konsep koneksi, yang merupakan deskripsi lengkap dari semua koneksi dalam sistem saraf, dengan mempertimbangkan kualitas dan sifat-sifat koneksi ini. Kami dapat mengatakan bahwa Anda, kepribadian Anda adalah koneksi Anda. Jika suatu saat Anda memiliki kesempatan untuk mengulangi koneksi Anda sepenuhnya, Anda akan mendapatkan kepribadian yang identik dengan Anda dengan ingatan dan keterampilan yang sama.

Sebastian Seung: I am my connect (2010)

Dalam bentuk apa informasi disimpan dalam sistem saraf? Jika kita berbicara tentang sistem saraf moluska, maka semuanya dibatasi oleh pengaturan sinapsis dalam rantai neuron refleks yang ada. Tetapi jika Anda beralih ke sistem saraf mamalia, maka ia memiliki alat yang memungkinkan Anda untuk membentuk refleks yang tidak diberikan kepada hewan sejak lahir. Refleks dalam sistem saraf diwakili oleh busur refleks atau rantai neuron sepanjang eksitasi saraf ditransmisikan secara berurutan. Orang dapat membayangkan bahwa rantai neuron membentuk seluruh pola lintasan di mana eksitasi merambat, beberapa lintasan sangat besar, seperti jalan raya, lainnya lintasan yang lebih kecil, lebih rinci, dan semua ini tunduk pada beberapa perubahan dan perubahan.

Ketika kita berbicara tentang busur refleks, rantai berurutan neuron tunggal tampaknya, tetapi sebenarnya khas untuk sistem saraf pusat bahwa banyak neuron terlibat dalam busur refleks dan rantai transmisi ini terdiri dari seluruh susunan sel. Meskipun, pada kenyataannya, setiap sel dari array ini berisi informasi yang hampir sama, dan dengan menghapus bukan hanya satu, tetapi seluruh wilayah sel, refleks tempat mereka berada dapat dipertahankan. Ini mungkin tampak tidak rasional dari sudut pandang penghematan ruang dan sumber daya, tetapi dari sudut pandang keandalan keamanan informasi, ini dibenarkan. Lagi pula, sel saraf mungkin rentan terhadap kematian karena berbagai kondisi buruk, hipoksia, kekurangan nutrisi atau keracunan beracun, dan tidak diinginkan,sehingga kematian satu sel mengarah pada kemungkinan hilangnya informasi penting bagi tubuh. Ternyata mustahil untuk memperkirakan secara andal jumlah informasi yang dioperasikan oleh otak oleh jumlah neuron dan koneksi di antara mereka.

Apa sifat dari berbagai tingkat hafalan? Fisiologis telah lama dialokasikan dua jenis memori, memori akses sementara atau acak dan memori jangka panjang. Artinya, dalam beberapa situasi, kita mengingat informasi untuk jangka waktu tertentu dan jika kita tidak kembali ke sana, maka kita melupakannya. Dan dalam situasi lain, kita mengingat informasi untuk periode yang tidak terbatas, jika informasi ini penting bagi kita, maka itu dapat disimpan bahkan dengan segera. Secara evolusi, kedua jenis ingatan ini dibenarkan oleh fakta bahwa tubuh tidak perlu menyimpan semua yang terjadi padanya, terutama jika informasi ini tidak penting untuk kelangsungan hidup dan kesuksesan dan tidak pernah mengulanginya sendiri, karena menyimpan informasi memerlukan pemborosan sumber daya.

Transisi informasi dari memori sementara ke memori jangka panjang disebut konsolidasi memori. Ada banyak penelitian tentang hal ini, dan dalam mengerjakan model saya mencoba untuk membenarkan kehadiran dan mensimulasikan kedalaman menghafal yang berbeda. Dan mempelajari bahan-bahan dari studi ini, saya sampai pada kesimpulan bahwa mungkin kita sedang berhadapan bukan dengan satu jenis konsolidasi memori, tetapi dengan setidaknya dua.

Yang pertama adalah konsolidasi pada tingkat fisiologis, ini adalah eksperimen di mana, misalnya, anak ayam dilatih dalam refleks tertentu dan jika tidak ada yang terjadi, maka refleks akan diingat, tetapi jika dalam dua puluh menit akan ada aksi kejut listrik atau toksin, maka refleks tidak akan disimpan. dalam memori. Ini berarti bahwa selama dua puluh menit ini ada proses yang terkait dengan pelestarian informasi dalam memori yang dapat dilanggar, sehingga mencegah pelestarian ini.

Perubahan dalam struktur sel tidak terjadi secara instan selama pelatihan, dibutuhkan beberapa waktu, terkait dengan sejumlah reaksi kimia dan transformasi, produksi protein yang diperlukan dan pertumbuhan proses baru. Tetapi hasil dari pelatihan yang kadang-kadang kita amati hampir seketika, itu sudah cukup bagi kita untuk mendengar beberapa informasi dan kita sudah memilikinya dan dapat mengoperasikannya. Agaknya ini disebabkan oleh fakta bahwa sel saraf memiliki cadangan tertentu untuk perubahan, misalnya, vesikel tambahan dengan mediator dapat disimpan dalam sinapsis, yang akan dirilis hanya dalam kondisi pelatihan. Tetapi setelah pelatihan, untuk menyimpan informasi, perlu untuk meningkatkan sinaps dan total konten mediator di dalamnya, dengan mempertimbangkan cadangan untuk kemungkinan pelatihan. Dalam hal ini, sinapsinya ditandai dengan protein khusus,serta kaskade kompleks reaksi kimia tertentu diluncurkan, yang mengarah pada pertumbuhan sinaps. Pelanggaran terhadap rangkaian reaksi kimia yang rumit ini untuk waktu yang diperlukan untuk ini dan mengarah pada pelanggaran menghafal.

Tetapi dalam model komputer, tidak perlu mencerminkan konsolidasi fisiologis memori, karena kita dapat melakukan semua perubahan dengan sinapsis virtual secara instan.

Bentuk konsolidasi memori berikut adalah contoh dari fakta bahwa informasi yang diulang beberapa kali diasimilasi untuk waktu yang lama, dan informasi yang tidak memiliki warna emosional dan disajikan satu kali atau dalam jumlah yang sedikit akan dilupakan setelah beberapa saat. Saya menyebut jenis konsolidasi ini hierarkis, mari kita lihat jenis konsolidasi ini pada contoh asimilasi refleks terkondisi yang biasa dan menggunakan model.



Bagian sebelumnya menunjukkan contoh bagaimana refleks terkondisi terbentuk atas dasar neuroelements asosiatif. Sekarang mari kita lihat bagaimana refleks terkondisi terbentuk di tingkat sistem pusat. Biasanya refleks tanpa syarat memiliki representasi di beberapa area sistem saraf sekaligus, pertama mereka mewakili di sumsum tulang belakang, jika kita bergerak lebih jauh dalam hierarki, kemudian representasi di beberapa ganglia, kemudian di otak kuno, misalnya, di hippocampus, dan akhirnya, representasi dalam kulit kayu





Pada model Anda melihat dua area yang dipilih, mereka terisolasi, mis. neuroelements yang termasuk dalam area-area ini tidak saling mempengaruhi, kecuali tentu saja mereka terhubung langsung oleh sinapsis. Saya secara kondisional menunjuk kedua area ini sebagai "hippocampus" (hippocampus), area di bawah, dan area "cortex" (cortex) di atas. Ada juga refleks dengan tajuk "R" yang mengarah ke respons refleks "1". Refleks ini memiliki dua representasi dalam hippocampus dan korteks, ini adalah dua kelompok neuroelements putih. Dan juga ada dua neuroelements reseptor yang terkait dengan reseptor "E" di masing-masing daerah, neuroelements ini acuh tak acuh, dan aktivasi mereka tidak akan menghasilkan jawaban apa pun, tetapi akan membuat aktivitas acak. Yang utama adalah bahwa neuroplastisitas untuk kedua area ini berbeda, di area yang disebut sebagai hippocampus plastisitasnya lebih tinggi,daripada di korteks.
Jika kita mengaktifkan refleks dengan tajuk "R" dan stimulus tanpa syarat "E" dalam interval waktu yang kira-kira sama, maka busur refleks baru akan terbentuk, tetapi ini kemungkinan besar akan terjadi di area dengan daktilitas tinggi.



Refleks yang terbentuk hanya di daerah dengan plastisitas tinggi akan berfungsi penuh, tetapi dapat hilang karena di bawah pengaruh rangsangan lain, neuron dapat dilatih kembali. Hippocampus jauh lebih kecil dari korteks, tetapi hampir semua representasi hadir di dalamnya, seperti di korteks. Kebutuhan untuk membentuk koneksi baru setiap saat memaksa penggunaan sel yang telah berpartisipasi dalam pembentukan refleks.



Jika kita melanjutkan latihan dengan kombinasi stimuli “E” dan “R”, maka setelah beberapa kali pengulangan, busur refleks juga akan terbentuk di daerah dengan keuletan rendah.



Sekarang refleks dilindungi lebih andal, bahkan jika menghilang dari area dengan plastisitas tinggi, ia masih akan dieksekusi.



Tentu saja, pelatihan ulang neuron di daerah dengan daktilitas rendah adalah mungkin, tetapi ini akan membutuhkan lebih banyak waktu dan usaha.

Dengan demikian, ada dua tahap menghafal: sebelum pembentukan refleks di korteks dan setelahnya. Menyimpan salinan refleks tidak hanya di hippocampus tetapi juga di korteks serebral adalah konsolidasi memori hirarkis.
Tetapi seperti halnya dengan informasi yang diingat segera dan untuk waktu yang lama, biasanya informasi tersebut disertai dengan semacam pengalaman emosional. Sebagai contoh, cukup bagi seseorang untuk membakar dirinya sekali dari panci di atas kompor untuk mengingat ini sepanjang hidupnya.

Reseptor rasa sakit kita terkait dengan bagian otak yang disebut amigdala atau amigdala. Amigdala mengendalikan daerah bercak biru pada sistem saraf, yang terdiri dari neuron norepinefrin. Akson dari neuron ini memiliki ujung di semua area otak, tugas mereka adalah memberikan, jika perlu, norepinefrin ke sebanyak mungkin sel.



Norepinefrin dalam kasus kami adalah sinyal untuk meningkatkan neuroplastisitas. Ini adalah semacam perintah "cetak sekarang", dan di bawah pengaruh norepinefrin, sel-sel saraf mencoba membuat perubahan pada diri mereka sendiri secepat mungkin. Dan karenanya, ketika aksi norepinefrin berhenti, sel-sel kembali ke kondisi kerja mereka, melestarikan semua perubahan yang terjadi pada mereka.

Jadi mari kita lihat ini dalam model.

Area dalam program tidak hanya secara logis memisahkan dan mengisolasi elemen saraf, tetapi ada juga kemampuan untuk menyesuaikan beberapa skenario untuk interaksi area ini.

Sistem organisasi dalam model dapat digambarkan sebagai sesuatu yang mirip dengan jaringan hiper (jaringan jaringan) dari kuliah Konstantin Anokhin. Tetapi objek jaringan dari tingkat yang lebih tinggi adalah area yang berbeda di otak. Sifat interaksi mereka dalam sistem adalah khusus, aktivitas satu daerah dapat menyebabkan penghambatan semua neuron yang lain, atau memiliki karakter modulasi, atau mempengaruhi plastisitas. Rasa takut (aktivitas amandel) mengarah ke peningkatan sensitivitas neuron di korteks motorik, yaitu. modulasi terjadi untuk menurunkan ambang batas untuk aktivasi neuron. Karena itu, ketika rasa takut melanda kita, kita dapat dengan cepat lari dari bahaya, otot kita tidak menjadi lebih kuat pada saat yang sama, kita hanya perlu sedikit motif internal untuk bertindak.



Ada jaringan neuroelements yang dikelompokkan, dan juga kelompok-kelompok ini dapat diatur pada jaringan dengan pola interaksi mereka sendiri. Dalam hal ini, ada skenario di mana, ketika aktivitas terjadi di daerah yang disebut "amigdala" (amigdala) di daerah "korteks", plastisitas meningkat dua detik.

Tanpa aktivasi amandel:



Dengan aktivasi amandel:



Dengan demikian, ternyata pelatihan stres dilakukan di korteks secepat di daerah dengan plastisitas tinggi.



Sistem memori hierarkis dapat direpresentasikan sebagai berikut. Ada beberapa area yang terisolasi, dalam setiap plastisitas selanjutnya akan lebih sedikit, yang berarti bahwa setiap area berikutnya akan lebih sedikit terpengaruh. Di setiap bidang seperti itu, akan ada representasi dari stimulus. Dan juga akan ada kemampuan untuk mengontrol kecepatan hafalan melalui sinyal yang mengarah pada perubahan daktilitas jangka pendek.

Di satu sisi, kami memiliki filter informasi tertentu yang menyimpan informasi yang lebih baik yang sering diulang, di sisi lain, kemampuan untuk langsung mengingat informasi penting bagi tubuh.
Baru-baru ini saya menemukan pesan: Stimulasi bintik biru mengajarkan tikus sebuah "memori panjang"

Gambar
Adalah salah untuk mempertimbangkan ingatan manusia hanya berdasarkan refleks terkondisi yang paling sederhana, bagi banyak orang, ini mungkin terlihat sangat primitif dalam kaitannya dengan informasi yang dapat dioperasikan oleh seseorang. Dan karena itu, kita akan berbicara tentang konsep seperti gambar, dan bagaimana gambar terbentuk pada tingkat sel saraf atau neuroelements.

Fenomena spesialisasi neuron yang diamati dalam biologi dikaitkan dengan sistem pembentukan gambar di otak. Ketika mempelajari otak, ditemukan bahwa beberapa neuron secara selektif menanggapi jenis stimulus tertentu, yaitu, sekelompok neuron tertentu di otak Anda akan diaktifkan ketika Anda melihat atau berpikir tentang hewan apa pun, ada juga kelompok yang hanya akan merespons, misalnya, di wajah nenekmu. Bahkan ada nama untuk fenomena spesialisasi neuron ini, "neuron nenek."

Mari kita lihat mekanisme untuk memperoleh spesialisasi neuron dalam suatu model.



Kami memiliki bidang reseptor 12 reseptor (Q, W, E, R ... V), semua reseptor adalah sama, berada pada pijakan yang sama. Dan masing-masing reseptor memiliki representasi (neuron reseptor) dalam kelompok sel-sel yang saling berhubungan yang terletak di pesawat, mirip dengan bagaimana ia diatur dalam sebuah fragmen korteks yang memproses sinyal dari indera. Ini akan menjadi area pemrosesan utama dan oleh karena itu neuroelements area ini memiliki plastisitas yang sangat tinggi (P = 1).

Jika, misalnya, tiga reseptor (Z, X, R) diaktifkan dari bidang reseptor, maka prinsip-prinsip tarik yang sama dari eksitasi yang mendasari pembentukan refleks terkondisi mengarah pada fakta bahwa eksitasi tersebut tampaknya akan menyatu di satu tempat. Selain itu, tingkat efek pengaktifan pada neuroelement di tempat ini akan lebih tinggi karena sinyal pengaktif berasal dari sisi yang berbeda hampir secara bersamaan. Dengan demikian, spesialisasi neuron secara otomatis terbentuk, dalam hal ini, neuroelements yang merespon stimulus kompleks "Z + X + R" ditentukan.



Dan tentu saja, Anda dapat melihat bahwa sistem ini untuk membentuk area gambar tidak bekerja dengan sangat akurat. Daerah gambar dapat bersilangan, dan ada kemungkinan bahwa kelompok rangsangan yang sama sekali berbeda melekat pada daerah yang sama. Dan ketidaktepatan dalam kerja otak dapat memiliki karakter yang agak positif. Memang, dalam pengenalan pola akurasi hanya dapat mengganggu, dan itu juga mengungkapkan potensi kreativitas, karena menggabungkan gambar yang sebelumnya tidak kompatibel atau melihat sesuatu yang lain dalam gambar hanya mungkin karena gambar ini tidak begitu ambigu dan tidak memiliki batas yang jelas. Ini juga menjelaskan mengapa persepsi manusia rentan terhadap penipuan.

Tetapi untuk menyoroti area-area ini dengan peningkatan level efek pengaktifan, perlu untuk menambah grup neuroelements lain yang akan diaktifkan hanya jika efek peningkatan seperti itu diperoleh. Kami akan berbicara tentang struktur korteks dan organisasi korteks secara rinci dalam masalah ini, serta bagaimana cara meningkatkan secara kualitatif mekanisme pembentukan gambar.



Sekarang mari kita sambungkan sistem memori hierarkis dan sistem pencitraan.
Eksitasi dari satu rangsangan sebelum naik ke tingkat pemrosesan selanjutnya dapat berlangsung dengan cara yang berbeda. Jadi jalur yang memilih gairah ditentukan oleh pengaruh rangsangan lain. Jalur ini menentukan representasi kegembiraan tingkat yang lebih tinggi mana yang akan tiba dan seberapa jauh di sepanjang hierarki. Mengingat perbedaan plastisitas pada level, gambar pada level tinggi akan lebih stabil, yaitu jika stimulus kompleks tidak diaktifkan sepenuhnya atau berisik, maka area yang akan lebih khas untuk stimulus kompleks ini akan mulai beraktivitas. Selain itu, hierarki dalam beberapa kasus tidak ketat, beberapa sinyal dari reseptor dapat diduplikasi dan melewati level.



Struktur memori seperti itu mirip dengan pohon, misalnya, pada tingkat pertama kita dapat mengidentifikasi neuron yang akan merespons semua wajah orang, lebih tinggi dalam hierarki kita akan menemukan neuron yang merespons wajah orang yang dikenal atau wajah yang telah kita lihat berulang kali dan wajah kerabat ditemukan pada level terakhir. yang wajahnya sangat akrab bagi kita. Wajah nenek kita, yang dapat kita identifikasi bahkan dalam bentuk yang sangat terdistorsi, tidak lengkap atau berisik, karena pada tingkat tinggi plastisitas sangat rendah dan pilihan "cabang" yang tidak akurat masih akan mengarah pada aktivasi penuh.

Struktur memori ini menjelaskan alasan untuk kecepatan tinggi ekstraksi informasi, eksitasi dari reseptor hanya melewati semua lapisan pemrosesan, saling mempengaruhi, sinyal-sinyal ini menentukan jalur dimana eksitasi akan mencapai kelompok neuron yang diinginkan. Tidak ada penghitungan informasi dan tidak ada operasi perbandingan dengan informasi referensi, dll. Evolusi berjalan di jalur kecepatan, bukan keakuratan, meskipun keakuratan persepsi dicapai dengan meningkatkan bidang reseptor dan cara-cara khusus mengatur otak.

Ltp
Penalaran tentang memori tidak akan lengkap jika kita tidak menyentuh topik potensiasi jangka panjang. Efek ini disebabkan oleh fakta bahwa ketika sel saraf terpapar pada efek pengaktifan yang kuat, sensitivitasnya meningkat untuk sementara waktu, dan waktu perubahan sel ini dapat berlangsung dari beberapa menit hingga beberapa minggu. Sebagian besar efek ini dimanifestasikan pada sel-sel piramidal hippocampus yang besar, meskipun dapat diamati di area lain, tetapi pada konsentrasi yang lebih rendah.



Di bawah pengaruh peningkatan paparan, kaskade tertentu reaksi kimia diluncurkan dalam sel, yang mengarah pada pembentukan membran pascasinaps dari reseptor tambahan, yang meningkatkan sensitivitas sel. Mari kita bayangkan bagaimana ini akan diimplementasikan dalam model.



Pertimbangkan skema penjumlahan dalam neuroelements yang mewakili kapal tertentu yang diisi dengan mediator, dari mana pengeluaran terus-menerus dari mediator ini terjadi. Jika tingkat neurotransmitter di pembuluh mencapai tingkat "A", maka aktivasi neuroelement terjadi. Jika tingkat efek pengaktifan berhasil mencapai tingkat "B", maka tidak hanya aktivasi elemen saraf akan terjadi, tetapi di samping itu ambang aktivasi utama "A" akan turun ke level "C", perubahan ini akan bersifat sementara.

Fitur ini dalam karya beberapa sel hippocampal bertentangan dengan prinsip-prinsip kecanduan dalam sistem saraf, tetapi fitur ini lebih penting. Berkat dia, tubuh bisa mengingat apa yang terjadi padanya beberapa menit yang lalu. Jika Anda memejamkan mata dan tetap diam untuk sementara waktu, Anda bahkan tidak perlu membuka mata untuk mengingat informasi tentang di mana Anda berada dan peristiwa apa yang terjadi sebelumnya. Yang menakjubkan di sini adalah tidak ada rangsangan yang akan mengaktifkan busur refleks yang mengarah ke neuron yang bertanggung jawab atas informasi ini.

Dalam proses aktivitas di hippocampus, semacam penandaan area dan neuron terjadi melalui potensiasi jangka panjang, area-area yang bertanggung jawab untuk gambar aktif ditandai. Jadi, Anda dapat dengan mudah kembali ke gambar yang baru saja diaktifkan bahkan melalui efek yang lebih lemah.



Bayangkan bahwa ada kelompok neuron yang bertanggung jawab atas gambar tempat, misalnya, gambar: "bekerja", "rumah", "jalan", dll. Kemudian, berada di tempat kerja, kita bisa mendapatkan banyak gambar, tanda visual, pendengaran, dan tanda yang menunjukkan di mana kita berada. Ini mengarah pada fakta bahwa neuron yang terkait dengan citra tempat akan ditandai oleh potensiasi jangka panjang. Sekarang, pada interval waktu tertentu, sementara potensiasi jangka panjang berlaku, rangsangan kecil dari gambar akar tempat cukup untuk neuron dari gambar yang sesuai untuk diaktifkan.



Potensiasi jangka panjang memungkinkan Anda untuk mengingat informasi yang dioperasikan oleh badan baru-baru ini, tetapi informasi itu tidak baru atau tidak signifikan. Ini juga meningkatkan waktu memori kerja.

Teori ingatan yang dihasilkan, menurut saya, sangat sederhana dan ringkas, dan ini mengikuti dari dasar-dasar yang diletakkan dalam karya neuroelements.

Dalam edisi berikutnya kita akan berbicara tentang emosi, dan saya berharap untuk meyakinkan Anda bahwa emosi paling kompleks dalam pikiran manusia akan tersedia untuk otak elektronik.

Simulator sistem saraf unduh gratis

Dowland for Windows

: «Brain_Data\Data\» . «Open».
, . , .
., .

Source: https://habr.com/ru/post/id397377/