Simulador do sistema nervoso. Parte 2. Neuroelemento modulado

Na imagem do título, o molusco do gênero Aplizia, em seu sistema nervoso, existem apenas 20.000 células nervosas. Quase o mesmo que no seu sistema nervoso, os mesmos dendritos, axônios, mediadores. As mesmas proteínas e substâncias. E o caminho para entender a natureza da consciência e o comportamento intelectual complexo não pode ultrapassar essa criatura modesta.

Olá, Geektimes, e passamos à segunda parte, que será dedicada ao segundo tipo de neuroelementos - este é um neuroelemento modulado.

Conteúdo
1. Simulador do sistema nervoso. Parte 1. Adicionador simples
2. Simulador do sistema nervoso. Parte 2. Neuroelemento modulado
3. Simulador de sistema nervoso. Parte 3. Neuroelemento associativo
4. Memória, consolidação da memória e neurônios da avó
5. Modelagem da emoção ou senso eletrônico de novidade
6. Incrível cerebelo
7. Estrutura cerebral e configurações iniciais

Existem três tipos de atividade reflexa: dependência, sensibilização e formação de reflexos condicionados. Esses tipos de atividades foram identificados pelo acadêmico Pavlov I.P. e se nosso modelo não imitar isso, então este não é um modelo do sistema nervoso, mas um modelo de outra coisa.



Dependência A

dependência é um fenômeno devido ao fato de que, após a ação repetida de um estímulo indiferente, o animal e a célula deixam de responder a ele. Por exemplo, o som de fundo com o qual podemos nos acostumar e depois de um tempo praticamente paramos de ouvi-lo, ou se você usar o anel por um longo tempo, poderá não sentir a pressão na pele etc.

O vício é implementado da seguinte maneira. Quando um neuroelemento é ativado, ele entra em um estado de atividade no qual deixa de responder a fatores ativadores, como um sinal, de sinapses de contato ou se o limite total for excedido no somador. Depois de algum tempo, o neuroelemento produz uma resposta para todas as sinapses de transmissão que possui. Depois que o sinal é transmitido, outro tempo passa, designado como o tempo de descanso ou recuperação. Além disso, o estado de atividade é substituído por um estado de expectativa, no qual o neuroelemento pode responder a fatores ativadores e novamente entrar no estado de atividade. Para um neuroelemento modulado após a fase de atividade, há um tempo de avaliação, durante o qual é determinado se o neuroelemento será reativado.

Se a reativação ocorrer durante esse período, haverá uma contagem de repetições. Ou seja, toda vez que a ativação ocorre durante a avaliação, o contador de repetição é aumentado em um, mas se a ativação não ocorrer durante a avaliação, o contador é redefinido. É assim que as ativações são contadas se forem feitas com bastante frequência.



E se o número de repetições estiver acima de um certo limite, o limite do somador do neuroelemento aumenta em um determinado valor. Assim, o neuroelemento aumenta seu limiar até parar de responder ao nível de exposição que o ativou.

Um exemplo de vício:





adaptação

Ao contrário do vício, o mecanismo de adaptação deve ser destacado. Adaptação é a capacidade de uma célula retornar ao seu nível anterior de sensibilidade ao longo do tempo. Mesmo depois de se acostumar, se por um longo tempo não há irritante para a qual o vício foi desenvolvido, o poder desse vício diminui e pode desaparecer completamente.

A velocidade com que a recuperação ocorre pode ser diferente em diferentes casos, e às vezes pode durar horas ou até dias e, em alguns casos, ocorre muito rapidamente.

Exemplo com adaptação:





O mecanismo de habituação pode ser representado como um mecanismo de defesa; com a ativação muito frequente do tecido nervoso, existe uma alta probabilidade de depleção, morte e dano. Portanto, a fim de proteger a sensibilidade do neurônio, diminui e, com menor frequência, começa a responder a excitações.

Por outro lado, se o neurônio não for ativado, ele não executará suas tarefas e, portanto, seria um consumo inútil de energia. Portanto, existe um mecanismo de adaptação que aumenta a sensibilidade a estímulos externos, o que aumenta a probabilidade de ativação de um neurônio.

As propriedades da dependência e adaptação do neuroelemento resolvem o problema da alça, muitas vezes nos neurônios do tecido nervoso são combinados para formar uma alça de transmissão da excitação nervosa, tais pequenas transferências de anel como se indicassem um arco reflexo ao longo do caminho de propagação da excitação. Mas, com engrenagens de anel de excitação, não há loop infinito; com o tempo, essas engrenagens também param, devido ao rápido acostume- mento.



Sensibilização

O segundo tipo de atividade reflexa é a sensibilização. Sensibilização é um aumento na sensibilidade aos efeitos dos estímulos, mesmo indiferentes, se isso foi precedido por um evento importante para o corpo.
Por exemplo, para um cão, um certo som é um estímulo indiferente ao qual ele não reagiu anteriormente. Então, se um irritante desagradável chegar, por exemplo, um choque elétrico, o cão ficará alarmado por um tempo e até um som indiferente causará um comportamento característico, uma reação protetora.
Para simular a sensibilização, voltamos ao trabalho de Eric Kandel, Prêmio Nobel de Fisiologia. Ele descreveu em detalhes o efeito da modulação de sinapses no exemplo do sistema nervoso do molusco Aplisia.



O molusco tem uma reação protetora em resposta a todos os tipos de toque, a retração das brânquias. Em suas experiências, Eric Kandel era viciado em Aplizia para tocar levemente seu sifão para que o reflexo protetor não funcionasse. O reflexo protetor é preservado por fortes impactos no sifão, mas ausente com fraco impacto. Mas se o leve toque do sifão foi precedido por um impacto na cauda do molusco, o reflexo protetor funcionava com a mesma força e as brânquias eram preservadas.


[Ilustrações do livro de Eric Kandel "Em Busca da Memória"]

O sistema nervoso da aplisia consiste em um número relativamente pequeno de células que podem ser identificadas e, portanto, é possível criar padrões de reflexo. É possível distinguir completamente o arco reflexo responsável pela reação protetora em caso de irritação do sifão - esta é a cadeia principal. E a cadeia de neurônios responsáveis ​​pela modulação é uma cadeia moduladora, que é ativada quando a cauda de um molusco é exposta.

Eric Kandel descreveu em detalhes como ocorre a modulação neste caso, quais produtos químicos estão envolvidos nesse processo e cascatas intracelulares de reações. Vamos transferir esse conhecimento para o nosso modelo.

E assim, em nosso sistema, existe um certo tipo de sinapse - modulação. Esse tipo de sinapse não tem efeito inibidor ou ativador direto, afeta o nível do limiar de ativação. O nível de ativação de um neuroelemento consiste em duas partes principais e moduladas. A parte principal do limiar de ativação é o que mudará com a habituação e adaptação. A parte modulada é semelhante a um somador; todos os efeitos das modulações de sinapses são adicionados a ela. A soma resultante diminui gradualmente no valor absoluto e tende a zero. A taxa de diminuição no efeito modulador é muito mais lenta que a taxa na qual o efeito total das sinapses diretas diminui.

A força da sinapse moduladora pode ter um sinal diferente, ou seja, pode aumentar o limiar, diminuindo a sensibilidade do elemento neurônio ou diminuindo o limiar, aumentando sua sensibilidade.

O nível do limiar pelo qual se estima se o elemento neural será ativado é a soma das partes principais e moduladoras; esse nível não pode ser igual a zero ou abaixo de zero.

Simulamos os experimentos de Eric Kandel com Apliz.



Os receptores "Q", "W", "E" e "R" são receptores do sifão do molusco, cada um dos quais está associado a um neuroelemento do receptor. Cada neuroelemento de receptor está associado a sinapses de ação direta com um neuroelemento modulado inserido. Por sua vez, está associado a um neuroelemento motor, que envia um sinal para o indicador "1". O indicador "1" será um análogo da ação de redução de brânquias na Aplizia.

Inicialmente, a rede está configurada para que a atividade de cada um dos receptores de sifão leve à ação de "1". Porém, com prolongadas “cócegas”, uma ativação seqüencial e lenta dos receptores de sifão, depois de algum tempo o neuroelemento aditivo se torna viciante e nenhuma resposta ocorre. Mas, se agirmos mais fortemente sobre os receptores do sifão, ativar vários receptores ao mesmo tempo ou fazê-lo mais rapidamente, veremos que a reação "1" ainda funcionará. Nesse caso, o mecanismo de adaptação será muito longo e podemos negligenciá-lo.

Também em nosso esquema existe um receptor “F”, um receptor de cauda de molusco, que está associado a um neuroelemento com uma sinapse de ação moduladora em um neuroelemento inserido. Essa sinapse reduz o nível do limiar de um neuroelemento em um certo período de tempo, o que torna o neuroelemento mais sensível e, durante esse período, a ativação de até um receptor de sifão leva à reação "1".

O mecanismo de sensibilização em Aplizia é um protótipo do estado emocional de ansiedade e medo em animais com um sistema nervoso mais desenvolvido. Nesses animais, a sensibilização envolve não cadeias separadas de neurônios, mas áreas inteiras no sistema nervoso. A área responsável pelo medo e pela ansiedade é a amígdala, a amígdala e, quando ativada, selecione mediadores moduladores (adrenalina, noradrenalina). Esses mediadores podem afetar o córtex motor, aumentando a sensibilidade dos neurônios, o que aumenta a atividade no automóvel. Isso significa que é necessária menos motivação interna para executar algumas ações, o que lhe permite escapar rapidamente do perigo ou atacar e mostrar agressividade mais ativamente.

Switch

Os neuroelementos modulados também nos permitem imaginar como o comportamento do animal é alterado dependendo das circunstâncias externas e internas. Por exemplo, Aplizia exibe um comportamento muito complexo durante o período de acasalamento, seu comportamento durante esse período muda e possíveis reações à mesma mudança de estímulo. Ou seja, pode-se dizer sobre a existência de uma certa “mudança” no sistema nervoso do molusco.





A rede está configurada para que, quando o receptor "R" for ativado, a resposta reflexa "1" ocorra. Mas se modelarmos essa rede de elementos neurais ativando o receptor F, a resposta reflexa "2" ocorrerá no mesmo receptor "R". O fator modulador do sistema nervoso pode ser a presença de um determinado hormônio no organismo, o que explica como o comportamento do animal muda, por exemplo, durante o período de fertilidade.

Source: https://habr.com/ru/post/pt397375/