Incrível cerebelo

O que é surpreendente no cerebelo? O departamento do cérebro, que nos deu a oportunidade de apreciar a beleza e o esplendor da música, a incrível precisão e a graça dos movimentos de dança.

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 e configurações cerebrais iniciais

O cérebro e o sistema nervoso como um todo trabalham com os mesmos sinais discretos, pulsos curtos, cuja amplitude é a mesma e a maneira de controlar vários orgânicos é alterar o número de pulsos por unidade de tempo, ou seja, frequência do sinal. Além disso, o grau de impacto no receptor é determinado precisamente pela mudança na frequência dos pulsos.

Nosso sistema motor tem potencial para ações muito precisas, para movimentos suaves ou precisos de nossos membros. Para conseguir isso, os músculos, que requerem alta flexibilidade no controle, foram divididos em unidades motoras. Uma unidade motora é um neurônio motor e fibras musculares associadas. E quanto mais unidades motoras estiverem envolvidas na atividade, maior será o esforço decorrente da contração muscular. Além disso, as fibras musculares de várias unidades motoras estão entrelaçadas para distribuir a carga e o campo de ação. Dessa forma, é possível controlar os músculos não apenas pela frequência de ativação das unidades motoras, mas também pelo número total envolvido na atividade.



Imagine um reflexo simples para o qual a ativação de seu título leva a uma completa contração do músculo. Nesse reflexo, todas as unidades motoras serão ativadas quase ao mesmo tempo. Mas, no processo da vida, pode surgir uma necessidade, por exemplo, de contrair-se suavemente ou relaxar o músculo de forma planejada, ou apenas é necessário um relaxamento suave do músculo, mas depois sua rápida redução.



No exemplo simulado, vários reflexos levam a uma natureza diferente de ativação do músculo hipotético, levando em consideração o fato de que cada indicador de ação é uma unidade motora de um músculo. No exemplo, há um reflexo principal, cuja ativação leva ao lançamento simultâneo de todas as unidades motoras. Com base nesse reflexo, os reflexos foram criados, por assim dizer, por uma superestrutura, que garante a ativação ou desativação seqüencial das unidades motoras, o que acrescenta algum fator de tempo.

No processo de desenvolvimento, o animal aprende a controlar seu corpo, e o treinamento ocorre não apenas na forma de criar associações, vinculando alguns eventos, mas também na proporção desses eventos no tempo e com muita precisão. Obviamente, a propagação da excitação ao longo do arco reflexo fornece um fator de tempo, mas os mecanismos de formação de reflexos não permitem tornar esse fator suficientemente preciso. O sistema nervoso deve ter um mecanismo para lembrar os intervalos de tempo entre as ações, além de ser suficientemente flexível para a possibilidade de reciclagem.

Ao desenvolver a teoria do cérebro e estudar o sistema nervoso, fiquei muito surpreso com o cerebelo, suas características são muito diferentes de outras estruturas cerebrais. Em primeiro lugar, esta é a razão entre o tamanho do cerebelo e a função prescrita para ele. O cerebelo ocupa aproximadamente 14% de todo o cérebro (para animais, a proporção aumentará) e, como você sabe, serve para coordenar nosso corpo, além de desempenhar algumas funções autonômicas. Nesse caso, o dano ao cerebelo causa uma violação da coordenação na forma de dificuldade em manter o equilíbrio, a precisão dos movimentos, a caligrafia irregular, a fala lenta etc. Para o sucesso do animal, essas funções são muito importantes, mas o tamanho do cerebelo é maior, por exemplo, do que as áreas de Wernicke e Broca juntas, embora essas áreas sejam responsáveis ​​pela fala humana, ou seja, elas executam funcionalidades mais complexas com tamanhos menores.

Em segundo lugar, no cerebelo existem formas incomuns de neurônios - células de Purkinje. Os dendritos dessas células se ramificam fortemente em um lado do núcleo celular e se ramificam no mesmo plano. Esse formato da célula deve ser devido a alguma coisa, geralmente os dendritos dos neurônios crescem sem orientação estrita nos planos.



Em terceiro lugar, a estrutura do córtex cerebelar é significativamente diferente da estrutura do córtex neocórtex. No córtex cerebelar, apenas três camadas são distinguidas: a camada celular celular Purkinje e a camada granular. Se no processo de evolução o neocórtex aumentou o número de suas camadas, isso não aconteceu no cerebelo. Geralmente, a evolução não toca no que funciona bem e satisfaz suficientemente sua funcionalidade. Considerando que o cerebelo aparece evolutivamente bastante cedo, pode-se dizer que a estrutura de seu córtex é perfeitamente aperfeiçoada pela evolução sob suas funções.



Uma das características da estrutura do córtex cerebelar é a presença de fibras paralelas - são axônios de células granulares (células granulares) que se propagam paralelamente e perpendiculares ao plano de crescimento dos dendritos das células de Purkinje. Talvez o formato das células de Purkinje se deva ao fato de aumentar a probabilidade de contato entre a fibra paralela e o dendrito das células de Purkinje durante seu crescimento e desenvolvimento do córtex. A célula de Purkinje é uma "célula de armadilha" para o crescimento de fibras paralelas.

Sabe-se que o potencial de ação assume a forma de um impulso curto e se espalha ao longo do tecido nervoso a uma velocidade limitada, aproximadamente 1 m / s. Isso sugere a idéia de que o complexo de fibras paralelas e células de Purkinje é um tipo de timer que é acionado pela ativação da célula granular, e os intervalos de tempo são contados pela ativação seqüencial das células de Purkinje pelo potencial de ação propagado das fibras paralelas.



Com base nessa premissa, foi desenvolvido um modelo que representa uma forte simplificação da estrutura do cerebelo. Normalmente, as células de Purkinje têm um efeito inibitório nos núcleos cerebelares; no próprio córtex existem muitas células inibidoras, bem como fibras lianóides, mas não levaremos tudo em consideração para fins de simplificação. O objetivo do modelo é formar uma compreensão dos princípios da operação do cerebelo.

Imagine um reflexo simples, uma ação ocorrerá em um único estímulo. E precisamos treinar a rede neural para que não haja uma única resposta a um determinado estímulo, mas uma série de respostas com um certo ritmo. Usando o método associativo usual, isso é quase impossível de alcançar. Você precisa de algum tipo de ferramenta que conte o tempo entre os eventos. Essa ferramenta é um complemento de tempo, é um análogo do cerebelo biológico.



O suplemento de tempo é baseado em uma série de elementos neurais conectados em série. O sinal que inicia essa corrente passa pelo circuito de frenagem colateral, este circuito passa apenas por um único sinal, necessário para que não haja interação e competição entre os elementos da corrente. Todas as mudanças que levam ao aprendizado ocorrem nas sinapses dos neurônios plásticos, cada neurônio plástico possui seu próprio elemento no circuito, que é um análogo do complexo de células de Purkinje e fibras paralelas.

Quando a atividade de um neurônio plástico coincide com um neuroelemento representando uma parte do arco reflexo, ocorre um aumento na força e no fortalecimento da sinapse que os conecta. Na ausência de coincidência, ocorrerá uma diminuição na força. A taxa dessas alterações depende da medida da neuroplasticidade dos neurônios plásticos. Inicialmente, a força das sinapses dos neuroelementos plásticos não é suficiente para ativar o representante; somente após algumas coincidências consecutivas, a ação da sinapse será suficiente para ativar. Depois de mais algumas repetições, essa situação será reforçada. Obviamente, podemos controlar a velocidade do aprendizado alterando a medida da plasticidade nos neuroelementos plásticos.

Agora, se repetirmos o reflexo, ativando o estímulo com o ritmo necessário, depois de um tempo com uma única ativação do estímulo, obteremos a resposta em um ritmo aprendido.



No exemplo acima, o ritmo é memorizado. Obviamente, qualquer ritmo pode ser definido. O esquema de exemplo é baseado nos elementos neurais que foram descritos em versões anteriores.

Podemos concluir que a função do cerebelo é a preservação de curtos intervalos de tempo na memória em várias ações motoras.

Como pode ser visto nos exemplos do trabalho do complemento de temporização, ele pode funcionar apenas com uma unidade de motor, cada unidade de motor requer seu próprio complexo. Tendo em cada unidade motora sua própria cadeia de células de Purkinje, é possível aprender não apenas a "vencer" os ritmos, mas também o caráter dos movimentos (suavidade, nitidez) devido à coordenação de cada unidade motora no tempo.



Há um aumento no volume cerebelar em pessoas cujas atividades estão associadas a tarefas nas quais é necessário armazenar intervalos de tempo exatos (tempos) em ações motoras na memória. Estes são, antes de tudo, músicos, dançarinos e atletas.

Pode-se notar que um número significativo de células é necessário para registrar intervalos de tempo na memória, o que leva a grandes tamanhos relativos do cerebelo. Mas o esquema escolhido pela evolução visa, antes de tudo, confiabilidade e flexibilidade.

Ao criar modelos fundamentais do cérebro, não há necessidade de levar em consideração todos os esquemas escolhidos pela evolução e é possível usar um elemento neural que funciona como um complexo inteiro de células de Purkinje e fibras paralelas.

Source: https://habr.com/ru/post/pt397707/