Νευρικών ερεθισμάτων: το κλειδί για την κατανόηση του εγκεφάλου

Μία από τις μεγαλύτερες, σχετικά υποτιμημένες, ανακαλύψεις σε όλη την επιστήμη ήταν η ανακάλυψη της νευρικής ώθησης το 1930 από τον Βρετανό Λόρδο Adrian. Ο Adrian κέρδισε ένα βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψή του το 1932, αλλά οι μελετητές υποτίμησαν τις επιπτώσεις του, που ξεπερνούν το γεγονός ότι τέσσερα αργότερα βραβεία Νόμπελ αποδόθηκαν για εργασία που βασίστηκε στο Adrian's ανακάλυψη. Αυτό περιελάμβανε την ανακάλυψη ιοντικής ροής νατρίου και καλίου κατά τη διάρκεια των παλμών, τον ρόλο των παλμών στο απελευθέρωση νευροδιαβιβαστών, και ο ρόλος των καναλιών ιόντων μεμβράνης στην παραγωγή παλμών και στον δεύτερο αγγελιοφόρο καταρράκτες.

Όπως πολλές ανακαλύψεις στην επιστήμη, αυτό δεν θα μπορούσε να γίνει χωρίς τεχνολογική πρόοδο. Οι πρώτες μελέτες με κατώτερη τεχνολογία είχαν πολύ χαμηλή αναλογία σήματος προς θόρυβο (όχι τον πυκνό ηλεκτρικό θόρυβο στην εικόνα). Μεγάλες βελτιώσεις σε αυτόν τον λόγο επιτυγχάνονται με τη σημερινή τεχνολογία και την ενδοκυτταρική εγγραφή. Στην εποχή του Adrian, η ουσιαστική πρόοδος ήταν η ανάπτυξη του τριχοειδούς ηλεκτρομέτρου, το οποίο επέτρεψε την ανίχνευση πολύ μικρών ηλεκτρικών παλμών της τάξης του ενός χιλιοστού του δευτερολέπτου. Αυτή η οργάνωση ήταν ακατέργαστη και πολύ κατώτερη από τις μεταγενέστερες εξελίξεις, όπως οι παλμογράφοι και οι οθόνες υπολογιστών. Πριν από τη χρήση του ηλεκτρομέτρου από τον Adrian, οι επιστήμονες γνώριζαν γενικά ότι δημιουργήθηκαν περιφερειακά νεύρα κάποιο είδος ηλεκτρικού σήματος, αλλά τίποτα δεν ήταν γνωστό για τη φύση του σήματος σε άτομο νευρώνες.

Τα νεύρα περιέχουν ίνες από εκατοντάδες νευρώνες που παράγουν άθροισμα, σχετικά μεγάλη διάρκεια και μεγάλο κύμα που απλώνεται στο νεύρο. Κανείς δεν ήξερε πώς οι μεμονωμένες νευρικές ίνες συνέβαλαν σε αυτό το σύνθετο σήμα. Ο Adrian απάντησε σε αυτήν την ερώτηση με κουραστική μικροδιατομή των νεύρων στις μεμονωμένες ίνες τους και καταγράφοντας τις διεγερτικές αντιδράσεις σε μία μόνο ίνα. Αυτό που είδε ο Adrian ήταν ότι η απόκριση ήταν μια σειρά παλμών τάσης, ο καθένας με μήκος περίπου ένα χιλιοστό του δευτερολέπτου, με το ίδιο πλάτος σε μια δεδομένη ίνα. Δεκαετίες αργότερα, η ανάπτυξη μικροηλεκτροδίων επέτρεψε την επιβεβαίωση της ανακάλυψης του Adrian σε νευρώνες στον εγκέφαλο.

Αυτό παρείχε στοιχεία για τη βασική ομοιότητα και διαφορά μεταξύ του εγκεφάλου και της μετέπειτα ανάπτυξης υπολογιστών. Τόσο οι υπολογιστές όσο και ο εγκέφαλος μετατρέπουν τον πραγματικό κόσμο σε αναπαραστάσεις. Στους υπολογιστές, οι πληροφορίες κωδικοποιούνται, με τη μορφή 1s και 0s, και ως νευρικές παρορμήσεις στον εγκέφαλο. Τόσο οι υπολογιστές όσο και ο εγκέφαλος διανέμουν και επεξεργάζονται αυτές τις αντιπροσωπευτικές πληροφορίες και μπορούν να τις αποθηκεύσουν ως αναμνήσεις. Ωστόσο, επειδή οι εγκέφαλοι είναι βιολογικοί και χρησιμοποιούν παλμούς για την αναπαράσταση πληροφοριών, μπορούν να αλλάξουν το κύκλωμα τους και να αυτοπρογραμματιστούν. Σε αντίθεση με τους υπολογιστές, οι εγκέφαλοι έχουν επίσης, συμπεριλαμβανομένου ενός πιθανού βαθμού ελεύθερη βούληση.

Οι εγκέφαλοι έχουν εμφανείς λειτουργικές καταστάσεις, που κυμαίνονται από έντονη συνείδηση συγκέντρωση στην υπνηλία, στον ύπνο, στο κώμα, στο θάνατο. Η νευρωνική ηλεκτρική δραστηριότητα συσχετίζεται συστηματικά με αυτές τις καταστάσεις. Τα πιο εμφανή από αυτά τα μέτρα δραστηριότητας υπάρχουν από την άποψη της πυροδότησης της νευρικής ώθησης και των εξωκυτταρικών ιοντικών ρευμάτων που δημιουργούν σε συνάψεις, γνωστές ως δυναμικά πεδίου. Καθώς αυτά τα δυναμικά πεδίου φτάνουν στο τριχωτό της κεφαλής, παράγουν το σήμα που ονομάζουμε ηλεκτροεγκεφαλογράφημα. Τα δυναμικά πεδίου είναι τεχνολογικά πιο εύκολο να καταγραφούν από μεμονωμένα νευρικά ερεθίσματα, αλλά περισσότερα διφορούμενη για ερμηνεία λόγω της χωρικής άθροισης τάσεων από εκατοντάδες ετερογενείς νευρώνες.

Τα αρχικά ευρήματα των νευρικών παλμών ήταν ότι ο ρυθμός της ώθησης πυροδότησε τον αντίκτυπο στους νευρωνικούς στόχους, είτε πρόκειται για μυς είτε για άλλους νευρώνες. Διάφορα εργαστήρια, συμπεριλαμβανομένου του δικού μου, στη δεκαετία του 1980, ανακάλυψαν ότι τα διαστήματα μεταξύ των παλμών περιείχαν επίσης το δικό τους είδος πληροφοριών. Για παράδειγμα, το εργαστήριό μου ανέφερε ότι ορισμένοι νευρώνες περιείχαν στατιστικά σημαντική σειριακή σειρά διαστημάτων ώθησης στη ροή ώθησης ενός νευρώνα. Τα διαστήματα, τουλάχιστον σε περιοχές εγκεφάλου υψηλότερου επιπέδου, δεν είναι τυχαία. Εξαρτώνται σειριακά, σαν να περιείχαν ένα μήνυμα. Εάν είστε εξοικειωμένοι με την πιθανότητα μετάβασης του Markov, μπορείτε να κατανοήσετε τη διαπίστωσή μας ότι οι σειριακές εξαρτήσεις υπάρχουν σε έως και πέντε διαδοχικά διαστήματα (Sherry et al. 1982). Αυτό μας οδήγησε να προτείνουμε "επεξεργασία byte" ως βασικό χαρακτηριστικό της επεξεργασίας πληροφοριών νευρωνικών. Αυτή η άποψη δεν έχει προχωρήσει, και οι περισσότεροι άνθρωποι εξακολουθούν να πιστεύουν ότι το ποσοστό πυροδότησης είναι το βασικό πληροφοριακός κώδικας, παρά την καθιερωμένη χρονική άθροιση που εμφανίζεται καθώς φτάνουν οι παρορμήσεις συνάψεις. Ο Bernard Katz επέδειξε χρονική άθροιση των ερεθιστικών επιδράσεων σε νευρομυϊκές συνδέσεις το 1951 και αργότερα ο J.P. Segundo και οι συνεργάτες του το επιβεβαίωσαν σε νευρωνικές συνάψεις (Segundo et al., 1963).

Δεν πρέπει να εκπλήσσει το γεγονός ότι υπάρχουν σειριακές εξαρτήσεις σε διαστήματα παλμών. Για παράδειγμα, η ενδοκυτταρική καταγραφή των μετασυναπτικών δυνατοτήτων αποκάλυψε ότι η αλλαγή πόλωσης που προκλήθηκε από μία είσοδο ώθησης μειώνεται σε λίγα χιλιοστά του δευτερολέπτου. Ωστόσο, μια διαδοχή εισαγόμενων παλμικών εισόδων επιτρέπει την άθροιση των αλλαγών πόλωσης.

Αυτές τις μέρες, πρέπει να δοθεί έμφαση στη δραστηριότητα ώθησης στα καθορισμένα κυκλώματα. Όλοι οι νευρώνες συνδέονται σε ένα ή περισσότερα κυκλώματα, και η παρορμητική κίνηση σε οποιονδήποτε έναν νευρώνα είναι μόνο ένα μικρό μέρος της συνολικής δραστηριότητας του κυκλώματος. Η λειτουργία οποιουδήποτε δεδομένου κυκλώματος εξαρτάται από το μοτίβο παλμών κυκλώματος (CIP) ολόκληρου του κυκλώματος. Οι ερευνητές έχουν αναπτύξει μικροηλεκτρόδια που επιτρέπουν την καταγραφή παλμών τρένων από μεμονωμένους νευρώνες, αλλά το Το πρόβλημα είναι η εμφύτευση μιας σειράς ηλεκτροδίων έτσι ώστε το καθένα να παρακολουθεί τη δραστηριότητα ενός επιλεγμένου νευρώνα στο a ορίζεται.

Νομίζω ότι η έρευνα θα πρέπει να επικεντρωθεί στα CIPs και στις σχέσεις φάσης της ηλεκτρικής δραστηριότητας μεταξύ των φλοιούτων κυκλωμάτων, τόσο εντός όσο και μεταξύ των φλοιών (Klemm, 2011). Τα νευρικά ερεθίσματα πρέπει να βρίσκονται στο επίκεντρο της συνείδησης, στο βαθμό που οι παλμοί περιέχουν την αναπαράσταση πληροφοριών του εγκεφάλου και δημιουργούν τις δυνατότητες του συναπτικού πεδίου.

Γνωρίζουμε από την παρακολούθηση γνωστών ανατομικών οδών για συγκεκριμένες αισθήσεις ότι ο εγκέφαλος δημιουργεί μια αναπαράσταση CIP των ερεθισμάτων. Όσο τα CIP παραμένουν ενεργά, η αναπαράσταση της αίσθησης ή νευρικός η επεξεργασία είναι ανέπαφη και μπορεί ακόμη και να είναι προσβάσιμη από τη συνείδηση. Ωστόσο, εάν κάτι διαταράσσει τα τρέχοντα CIP για να δημιουργήσει ένα διαφορετικό σύνολο CIP, όπως για παράδειγμα θα συνέβαινε με διαφορετικό ερέθισμα, τότε η αρχική αναπαράσταση εξαφανίζεται. Εάν τα αρχικά CIP διατηρηθούν αρκετά, α μνήμη θα μπορούσε να σχηματιστεί, αλλά διαφορετικά, οι πληροφορίες θα χαθούν. Οι συνέπειες για το σχηματισμό μνήμης είναι ότι η άμεση περίοδος μετά τη μάθηση πρέπει να προστατεύεται από νέες εισόδους για να διατηρηθεί η αναπαράσταση CIP της μάθησης αρκετά ανέπαφη για να σχηματίσει μια πιο διαρκή μνήμη.

Πολλές από τις τρέχουσες έρευνες δείχνουν ότι η συνειδητή συνειδητοποίηση συσχετίζεται με τον βαθμό συγχρονισμού και χρονικού κλειδώματος των CIPs σε διάφορες περιοχές και εντός των περιοχών του φλοιού. Τα στοιχεία προέρχονται από την ηλεκτροεγκεφαλογραφική παρακολούθηση των δυναμικών ταλαντώσεων πεδίου σε μια δεδομένη περιοχή. Αυτά είναι κύματα τάσης που εμφανίζονται σε ζώνες πολλαπλών συχνοτήτων. Οι σχέσεις φάσης των κυμάτων τάσης από διαφορετικά κυκλώματα αντανακλούν σίγουρα το χρόνο των εκκενώσεων παλμών που δημιουργούν αυτά τα πεδία. Σύνοψα τα αποδεικτικά στοιχεία για την έρευνα σε ζώα για αυτήν την άποψη στο πρώτο μου βιβλίο, πριν από περίπου 50 χρόνια (Klemm, 1969). Ανάλογα με τη φύση του ερεθίσματος και της ψυχικής κατάστασης, αυτές οι ταλαντώσεις διαφόρων κυκλωμάτων μπορεί να τρελαίνονται μεταξύ τους ή να κλειδώνουν το χρόνο. Η λειτουργική συνέπεια του συγχρονισμού πρέπει να είναι ουσιαστική, και πολλές άλλες και προτείνω ότι αυτή είναι μια θεμελιώδης πτυχή της συνείδησης. Η συσχέτιση μεταξύ των συνοχών συχνότητας και των καταστάσεων συνείδησης είναι σαφής. Η συνοχή της συχνότητας αντανακλά μια «δέσμευση» νευρώνων σε συνδεδεμένη και κοινή ηλεκτροχημική δραστηριότητα, αλλά το πώς σχετίζεται με τη συνειδητή συνειδητοποίηση θα απαιτήσει μια επόμενη μεγάλη ανακάλυψη στην επιστήμη.