Memória, consolidação da memória e neurônios da avó

A primeira pergunta que surge diante dos pesquisadores do sistema nervoso e dos processos cognitivos é o que é memória? O que é memória em termos biológicos? Como a memória aparece no nível de um neurônio individual? E de que forma as informações são armazenadas no sistema nervoso?

E agora responderemos a essas perguntas.

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

O que é memória no aspecto biológico e no nível de um neurônio individual?Há muito que se acredita na neurociência que a memória está associada a mudanças no estado e na força das sinapses, bem como à sensibilidade do próprio neurônio. Falamos sobre como mudanças nesses estados podem ocorrer em edições anteriores quando falamos sobre dependência e sensibilização usando o exemplo do molusco Aplisia e quando estudamos os mecanismos de formação de reflexos condicionados com base em um neuroelemento associativo. Essa representação da memória deu origem ao conceito de conexão, que é uma descrição completa de todas as conexões no sistema nervoso, levando em consideração a qualidade e as propriedades dessas conexões. Podemos dizer que você, sua personalidade é sua conexão. Se você tiver a oportunidade de repetir completamente sua conexão, terá uma personalidade idêntica a você com as mesmas memórias e habilidades.

Sebastian Seung: Eu sou o meu contato (2010)

De que forma as informações são armazenadas no sistema nervoso? Se falamos do sistema nervoso do molusco, tudo é limitado pelas configurações das sinapses nas cadeias de neurônios dos reflexos existentes. Mas se você recorrer ao sistema nervoso dos mamíferos, ele possui uma ferramenta que permite formar reflexos que não foram dados ao animal desde o nascimento. Os reflexos no sistema nervoso são representados por arcos reflexos ou cadeias de neurônios ao longo dos quais a excitação nervosa é transmitida sequencialmente. Pode-se imaginar que cadeias de neurônios formam padrões inteiros de caminhos pelos quais a excitação se propaga; alguns são muito grandes, como estradas, outros são menores, caminhos mais detalhados, e tudo isso está sujeito a alguns rearranjos e mudanças.

Quando falamos sobre arcos reflexos, parece ser uma cadeia seqüencial de neurônios únicos, mas, de fato, é típico para o sistema nervoso central que muitos neurônios estejam envolvidos no arco reflexo e essas cadeias de transmissão consistem em uma série inteira de células. Embora, de fato, cada célula dessa matriz contenha quase a mesma informação e, removendo não uma, mas regiões inteiras das células, o reflexo ao qual elas pertencem pode ser preservado. Isso pode parecer irracional do ponto de vista da economia de espaço e recursos, mas do ponto de vista da confiabilidade da segurança das informações, isso é justificado. Afinal, uma célula nervosa pode ser suscetível à morte devido a várias condições adversas, hipóxia, falta de nutrientes ou envenenamento tóxico, e não é desejável,para que a morte de uma célula leve à possível perda de informações importantes para o corpo. Acontece que é impossível estimar com segurança a quantidade de informações operadas pelo cérebro pelo número de neurônios e pelas conexões entre eles.

Qual é a natureza dos vários graus de profundidade da memorização? Os fisiologistas recebem há muito tempo dois tipos de memória, memória de acesso temporário ou aleatório e memória de longo prazo. Ou seja, em algumas situações, lembramos das informações por um curto período de tempo e, se não voltarmos a elas, as esqueceremos. E em outras situações, lembramos as informações por um período ilimitado; se essas informações são importantes para nós, elas podem ser salvas mesmo imediatamente. Evolutivamente, esses dois tipos de memória são justificados pelo fato de o corpo não precisar armazenar tudo o que acontece, principalmente se essas informações não são importantes para a sobrevivência e o sucesso e nunca se repetem, porque armazenar informações requer um desperdício de recursos.

A transição de informações da memória temporária para a memória de longo prazo é denominada consolidação de memória. Há muita pesquisa sobre esse assunto e, ao trabalhar no modelo, tentei justificar a presença e simular diferentes profundidades de memorização. E estudando os materiais desses estudos, cheguei à conclusão de que talvez não estamos lidando com um tipo de consolidação de memória, mas com pelo menos dois.

A primeira é a consolidação no nível fisiológico, são experimentos em que, por exemplo, os filhotes são treinados em um determinado reflexo e, se nada acontecer, o reflexo será lembrado, mas se em vinte minutos ocorrer uma ação de eletrochoque ou toxina, o reflexo não será salvo. na memória. Isso significa que, durante esses vinte minutos, há processos associados à preservação de informações na memória que podem ser violadas, impedindo essa preservação.

Alterações na estrutura da célula não ocorrem instantaneamente durante o treinamento, leva algum tempo, associado a várias reações e transformações químicas, à produção das proteínas necessárias e ao crescimento de novos processos. Mas o resultado do treinamento que observamos às vezes é quase instantâneo, basta ouvir algumas informações e já as possuímos e podemos operar com elas. Presumivelmente, isso se deve ao fato de a célula nervosa ter uma certa reserva para alterações, por exemplo, vesículas adicionais com um mediador podem ser armazenadas em sinapses, que serão liberadas apenas nas condições de treinamento. Porém, após o treinamento, para preservar as informações, será necessário aumentar a sinapse e o conteúdo total dos mediadores, levando em consideração a reserva para possíveis treinamentos. Nesse caso, a sinapse é marcada com proteínas especiais,bem como uma certa cascata complexa de reações químicas é lançada, o que leva ao crescimento da sinapse. A violação do curso dessa complexa cascata de reações químicas pelo tempo necessário para isso e leva a uma violação da memorização.

Porém, no modelo de computador, não há necessidade de refletir a consolidação fisiológica da memória, pois podemos realizar todas as alterações com sinapses virtuais instantaneamente.

A seguinte forma de consolidação da memória é um exemplo do fato de que as informações repetidas várias vezes são assimiladas por um longo tempo, e as informações que não têm cor emocional e foram apresentadas uma vez ou em uma quantidade bastante pequena serão esquecidas depois de um tempo. Eu chamo esse tipo de consolidação de hierárquico, vejamos esse tipo de consolidação no exemplo da assimilação do reflexo condicionado usual e do uso do modelo.



A parte anterior mostrou um exemplo de como um reflexo condicionado é formado com base em neuroelementos associativos. Agora vamos ver como o reflexo condicionado é formado no nível do sistema central. Normalmente, os reflexos não condicionados têm representações em várias áreas do sistema nervoso de uma só vez; primeiro eles representam na medula espinhal; se avançarmos mais na hierarquia, depois representações em alguns gânglios, depois no cérebro antigo, por exemplo, no hipocampo e, finalmente, representação no latir.





No modelo, você vê duas áreas selecionadas, elas são isoladas, ou seja, os neuroelementos pertencentes a essas áreas não exercem efeito um sobre o outro, a menos que, claro, estejam diretamente conectados por sinapses. Designei condicionalmente essas duas áreas como "hipocampo" (hipocampo), a área abaixo e a área "córtex" (córtex) acima. Há também um reflexo com o cabeçalho "R" que leva à resposta reflexa "1". Esse reflexo tem duas representações no hipocampo e no córtex, são dois grupos de neuroelementos brancos. E também existem dois neuroelementos de receptor associados ao receptor “E” em cada região, esses neuroelementos são indiferentes e sua ativação não leva a nenhuma resposta, mas cria atividade aleatória. O principal é que a neuroplasticidade para essas duas áreas é diferente, na área designada como hipocampo a plasticidade é maior,do que no córtex.
Se ativarmos o reflexo com o cabeçalho "R" e o estímulo não condicionado "E" aproximadamente no mesmo intervalo de tempo, um novo arco reflexo se formará, mas isso provavelmente ocorrerá na área com alta ductilidade.



O reflexo formado apenas na área com alta plasticidade será totalmente funcional, mas poderá se perder porque, sob a influência de outros estímulos, os neurônios podem ser retreinados. O hipocampo é muito menor que o córtex, mas quase todas as representações estão presentes nele, como no córtex. A necessidade de formar novas conexões o tempo todo força o uso de células que já participaram da formação de reflexos.



Se continuarmos treinando com uma combinação de estímulos "E" e "R", depois de um certo número de repetições, um arco reflexo também se formará na área com baixa ductilidade.



Agora, o reflexo é protegido com mais segurança, mesmo que desapareça da área com alta plasticidade, ele ainda será executado.



Obviamente, é possível treinar novamente os neurônios em áreas com baixa ductilidade, mas isso exigirá mais tempo e esforço.

Assim, existem duas etapas de memorização: antes da formação de um reflexo no córtex e depois. Salvar uma cópia do reflexo não apenas no hipocampo, mas também no córtex cerebral é uma consolidação hierárquica da memória.
Porém, como é o caso de informações que são lembradas imediatamente e por um longo tempo, geralmente essas informações são acompanhadas de algum tipo de experiência emocional. Por exemplo, basta que uma pessoa se queime uma vez de uma panela no fogão para se lembrar disso a vida toda.

Nossos receptores de dor estão ligados a uma parte do cérebro chamada amígdala ou amígdala. A amígdala controla a região da mancha azul do sistema nervoso, que consiste em neurônios da norepinefrina. Os axônios desses neurônios têm terminações em todas as áreas do cérebro, sua tarefa é fornecer, se necessário, norepinefrina para o maior número possível de células.



A noradrenalina no nosso caso é um sinal para aumentar a neuroplasticidade. Este é um tipo de comando "agora impresso" e, sob a influência da noradrenalina, as células nervosas tentam fazer alterações em si mesmas o mais rápido possível. E, portanto, quando as ações da norepinefrina cessam, as células retornam à sua condição de trabalho, preservando todas as alterações que ocorreram com elas.

Então, vamos ver isso em um modelo.

As áreas do programa não apenas separam e isolam logicamente elementos neurais, mas também há a capacidade de personalizar alguns cenários para a interação dessas áreas.

O sistema organizacional no modelo pode ser descrito como algo semelhante a uma hiper-rede (rede de redes) das palestras de Konstantin Anokhin. Mas os objetos de rede de um nível superior são áreas diferentes do cérebro. A natureza de sua interação no sistema é especial, a atividade de uma região pode levar à inibição de todos os neurônios de outra, ou ter um caráter modulador ou afetar a plasticidade. Uma sensação de medo (atividade da amígdala) leva a um aumento na sensibilidade dos neurônios no córtex motor, ou seja, ocorre modulação para diminuir o limiar de ativação dos neurônios. Portanto, quando o medo nos envolve, podemos fugir rapidamente do perigo, nossos músculos não se fortalecem ao mesmo tempo, apenas precisamos de menos motivo interno para a ação.



Existem redes agrupadas de neuroelementos e esses grupos também podem ser organizados na rede com seus próprios padrões de interação. Nesse caso, existe um cenário em que, quando ocorre atividade na área chamada “amigdala” (amígdala) na área do “córtex”, a plasticidade aumenta em dois segundos.

Sem ativação das amígdalas:



Com a ativação das amígdalas:



Assim, acontece que o treinamento sob estresse ocorre no córtex tão rapidamente quanto em áreas com alta plasticidade.



O sistema de memória hierárquica pode ser representado da seguinte maneira. Existem várias áreas isoladas, em cada plasticidade subsequente será menor, o que significa que cada área subsequente será menos afetada. Em cada uma dessas áreas, haverá uma representação do estímulo. E também haverá a capacidade de controlar a velocidade da memorização por meio de sinais que levem a uma mudança de ductilidade a curto prazo.

Por um lado, temos um certo filtro de informações que armazena informações melhores que geralmente são repetidas; por outro lado, a capacidade de lembrar instantaneamente informações importantes para o corpo.
Recentemente me deparei com uma mensagem: A estimulação do locus coeruleus ensinou ratos "longo" de memória

imagens
É errado considerar a memória humana apenas com base nos reflexos condicionados mais simples; para muitos, isso pode parecer muito primitivo em relação às informações nas quais uma pessoa pode operar. E, portanto, falaremos sobre esse conceito como imagem e como as imagens são formadas no nível das células nervosas ou neuroelementos.

O fenômeno da especialização de neurônios observado na biologia está associado ao sistema de formação de imagens no cérebro. Ao estudar o cérebro, verificou-se que alguns neurônios respondem seletivamente a um certo tipo de estímulo, ou seja, um determinado grupo de neurônios em seu cérebro é ativado quando você vê ou pensa em qualquer animal, também existem grupos que respondem apenas, por exemplo, no rosto da sua avó. Existe até um nome para esse fenômeno de especialização de neurônios, "neurônios da avó".

Vejamos o mecanismo para obter a especialização por neurônios em um modelo.



Temos um campo receptor de 12 receptores (Q, W, E, R ... V), todos os receptores são iguais, estão em pé de igualdade. E cada receptor tem uma representação (neurônio receptor) em um grupo de células interconectadas localizadas em um plano, semelhante à forma como ele é organizado em um fragmento do córtex que processa sinais dos sentidos. Esta será a área de processamento primário e, portanto, os neuroelementos dessa área têm uma plasticidade muito alta (P = 1).

Se, por exemplo, três receptores (Z, X, R) são ativados a partir do campo receptor, os mesmos princípios de atração de excitação subjacentes à formação de reflexos condicionados levam ao fato de que a excitação parecerá convergir em um só lugar. Além disso, o nível do efeito de ativação no neuroelemento neste local será maior porque os sinais de ativação vêm de lados diferentes quase simultaneamente. Assim, a especialização dos neurônios é formada automaticamente, neste caso, são determinados neuroelementos que respondem ao complexo estímulo “Z + X + R”.



E, é claro, você pode ver que esse sistema para formar áreas de imagem não funciona com muita precisão. As regiões das imagens podem se cruzar, e também é possível que grupos de estímulos completamente diferentes estejam ligados à mesma região. E essa imprecisão no trabalho do cérebro pode ter um caráter bastante positivo. De fato, no reconhecimento de imagens, a precisão só pode interferir e também revela o potencial de criatividade, porque combinar imagens anteriormente incompatíveis ou ver algo mais em uma imagem é possível apenas porque essas imagens não são tão inequívocas e não têm limites claros. Isso também explica por que a percepção humana é propensa ao engano.

Mas, para destacar essas áreas com um nível aumentado de efeito ativador, é necessário adicionar outro grupo de neuroelementos que serão ativados apenas se esse efeito aumentado for obtido. Falaremos sobre a estrutura do córtex e a organização do córtex em detalhes nesta edição, bem como sobre como melhorar qualitativamente o mecanismo de formação da imagem.



Agora vamos conectar o sistema de memória hierárquica e o sistema de imagem.
A excitação de um estímulo antes de passar para o próximo nível de processamento pode ser de diferentes maneiras. Portanto, o caminho que escolhe a excitação é determinado pela influência de outros estímulos. Esse caminho determina para qual representação de uma excitação de nível mais alto chegará e qual o nível da hierarquia. Dada a diferença de plasticidade nos níveis, as imagens em níveis altos serão mais estáveis, ou seja, se o estímulo complexo não for ativado completamente ou com ruído, a área que será mais típica para esse estímulo complexo entrará em atividade. Além disso, em alguns casos a hierarquia não é rigorosa; alguns sinais dos receptores podem ser duplicados e pular os níveis.



Essa estrutura de memória é semelhante a uma árvore, por exemplo, nos primeiros níveis, podemos identificar neurônios que responderão a todas as faces de pessoas, mais alto na hierarquia, encontraremos neurônios que respondem a faces de pessoas familiares ou àquelas que vimos repetidamente e as faces de parentes são encontradas nos últimos níveis cujos rostos são muito familiares para nós. O rosto de nossa avó, que podemos identificar mesmo de forma muito distorcida, incompleta ou barulhenta, porque em altos níveis a plasticidade é muito baixa e a escolha imprecisa do “ramo” ainda levará à sua plena ativação.

Essa estrutura de memória explica a razão da alta velocidade de extração de informações, a excitação dos receptores simplesmente passa por todas as camadas do processamento, influenciando-se mutuamente, esses sinais determinam o caminho pelo qual a excitação alcançará os grupos desejados de neurônios. Não há enumeração de informações nem operações de comparação com nenhuma informação de referência, etc. A evolução seguiu o caminho da velocidade, e não da precisão, embora a precisão da percepção tenha sido alcançada aumentando os campos receptores e maneiras especiais de organizar o cérebro.

Ltp
O raciocínio sobre a memória não estaria completo se não tocássemos no tópico da potencialização a longo prazo. Esse efeito se deve ao fato de que quando uma célula nervosa é exposta a um forte efeito ativador, sua sensibilidade aumenta por um tempo e o tempo dessa alteração na célula pode durar de alguns minutos a várias semanas. Principalmente esse efeito se manifesta em grandes células piramidais do hipocampo, embora possa ser observado em outras áreas, mas em menor concentração.



Sob a influência do aumento da exposição, uma certa cascata de reações químicas é lançada na célula, o que leva à formação da membrana pós-sináptica de receptores adicionais, o que aumenta a sensibilidade da célula. Vamos imaginar como isso será implementado no modelo.



Considere o esquema de soma em neuroelementos, que representa um determinado vaso cheio de mediador, a partir do qual ocorre o gasto contínuo desse mediador. Se o nível do neurotransmissor no vaso atingir o nível "A", ocorre a ativação de um neuroelemento. Se o nível do efeito de ativação conseguir atingir o nível "B", não ocorrerá apenas a ativação do elemento neural, mas também o limiar de ativação principal "A" diminuirá para o nível "C", essas alterações serão temporárias.

Esse recurso no trabalho de algumas células do hipocampo é contrário aos princípios do vício no sistema nervoso, mas esse recurso é mais importante. Graças a ela, o corpo pode se lembrar do que aconteceu com ele há alguns minutos atrás. Se você fechar os olhos e ficar quieto por um tempo, não precisará nem abrir os olhos para recuperar informações sobre onde está e quais eventos aconteceram anteriormente. O incrível aqui é que não há estímulos que ativem os arcos reflexos que levam aos neurônios responsáveis ​​por essa informação.

No processo de atividade no hipocampo, ocorre uma espécie de marcação de áreas e neurônios por meio da potenciação de longo prazo; são marcadas as áreas responsáveis ​​pelas imagens ativas. Assim, você pode retornar facilmente às imagens ativadas recentemente, mesmo com um efeito mais fraco.



Imagine que existem grupos de neurônios responsáveis ​​pelas imagens dos lugares, por exemplo, imagens: “trabalho”, “casa”, “rua” etc. Então, estando no local de trabalho, podemos obter muitas imagens visuais, auditivas e táteis e sinais indicando onde estamos. Isso leva ao fato de que os neurônios associados à imagem do local serão marcados por potencialização a longo prazo. Agora, em um determinado intervalo de tempo, enquanto a potencialização de longo prazo está em vigor, um pequeno estímulo da imagem raiz do local é suficiente para que os neurônios da imagem correspondente sejam ativados.



A potenciação de longo prazo permite que você se lembre das informações nas quais o corpo operou recentemente, mas as informações não eram novas ou significativas. Também aumenta o tempo de memória de trabalho.

A teoria resultante da memória, na minha opinião, é muito simples e concisa, e decorre dos fundamentos estabelecidos no trabalho dos neuroelementos.

Na próxima edição, falaremos sobre emoções, e espero convencê-lo de que as emoções mais complexas da mente humana estarão disponíveis para os cérebros eletrônicos.

Download do simulador de sistema nervoso

Dowland for Windows

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