Нейронное обратное распространение - Neural backpropagation

Эта статья о биологическом процессе. Для компьютерного алгоритма см. Обратное распространение.

Нейронное обратное распространение это явление, в котором после потенциал действия из нейрон создает скачок напряжения на аксон (нормальное распространение) другой импульс генерируется от сома и распространяется к апикальный части дендритной ветви или дендриты, от которого исходит большая часть исходного входного тока. Помимо активного обратного распространения потенциала действия, существует также пассивное электротонический распространять. Хотя имеется достаточно доказательств, подтверждающих существование потенциалов действия с обратным распространением, функция таких потенциалов действия и степень, в которой они вторгаются в самые дистальные дендриты, остаются весьма спорными.

Механизм

Визуальное представление двух механизмов нейронного обратного распространения.
Методы нейронного обратного распространения. Слева: потенциал действия формируется в аксоне и движется к соме. Справа: потенциал регулярного действия генерирует эхо, которое распространяется по дендритному дереву.

Когда оценивается возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) деполяризует сому до порога резкости аксональный бугорок Во-первых, аксон испытывает распространяющийся импульс через электрические свойства его потенциалозависимых натриевых и потенциал-управляемых калиевых каналов. Сначала потенциал действия возникает в аксоне, поскольку исследования показывают, что натриевые каналы в дендритах имеют более высокий порог, чем каналы на мембране аксона (Rapp et al., 1996). Более того, потенциал-управляемые натриевые каналы на дендритных мембранах, имеющие более высокий порог, помогают предотвратить их запуск потенциала действия от синаптического входа. Вместо этого, только когда сома достаточно деполяризуется от накопления градуированных потенциалов и активации потенциала действия аксонов, эти каналы будут активированы для распространения сигнала, идущего в обратном направлении (Rapp et al. 1996). Как правило, ВПСП от синаптической активации недостаточно велики, чтобы активировать дендритные потенциалзависимые кальциевые каналы (обычно порядка пары миллиампер каждый), поэтому считается, что обратное распространение происходит только тогда, когда клетка активируется, чтобы запустить потенциал действия. Этих натриевых каналов на дендритах много в определенных типах нейронов, особенно в митральных и пирамидных клетках, и они быстро инактивируются. Первоначально считалось, что потенциал действия может двигаться вниз по аксону только в одном направлении к окончанию аксона, где он в конечном итоге сигнализирует о высвобождении нейротрансмиттеров. Однако недавние исследования предоставили доказательства существования потенциалов действия, распространяющихся в обратном направлении (Staley 2004).

На этой диаграмме показано, как всплеск дендритного напряжения возникает после деполяризации аксона и сомы.

Если уточнить, обратное распространение нейронов может происходить одним из двух способов. Во-первых, во время инициации потенциала действия аксонов тело клетки или сома также может стать деполяризованным. Этот деполяризация может распространяться по телу клетки к дендритному дереву, где есть потенциалзависимые натриевые каналы. Деполяризация этих потенциалзависимых натриевых каналов может затем привести к распространению дендритного потенциала действия. Такое обратное распространение иногда называют эхом от потенциала действия прямого распространения (Staley 2004). Также было показано, что потенциал действия, инициированный в аксоне, может создавать ретроградный сигнал, который распространяется в противоположном направлении (Hausser 2000). Этот импульс проходит вверх по аксону, в конечном итоге вызывая деполяризацию тела клетки, тем самым запуская дендритные потенциалзависимые кальциевые каналы. Как описано в первом процессе, запуск дендритных потенциалзависимых кальциевых каналов приводит к распространению дендритного потенциала действия.

Важно отметить, что сила потенциалов обратного распространения сильно варьируется между разными типами нейронов (Hausser 2000). Некоторые типы нейрональных клеток практически не демонстрируют снижения амплитуды потенциалов действия, когда они проникают в дендритное дерево и проходят через него, в то время как другие типы нейрональных клеток, такие как мозжечок Нейроны Пуркинье, демонстрируют очень небольшое обратное распространение потенциала действия (Stuart 1997). Кроме того, существуют другие типы нейрональных клеток, которые демонстрируют разную степень уменьшения амплитуды во время обратного распространения. Считается, что это связано с тем, что каждый тип нейронных клеток содержит различное количество управляемых напряжением каналов, необходимых для распространения дендритного потенциала действия.

Регулирование и торможение

Как правило, синаптические сигналы, которые принимает дендрит, объединяются в соме для генерации потенциала действия, который затем передается по аксону к следующему синаптическому контакту. Таким образом, обратное распространение потенциалов действия представляет собой угрозу инициирования неконтролируемого положительный отзыв петля между сомой и дендритами. Например, когда сработал потенциал действия, его дендритное эхо могло проникнуть в дендрит и потенциально запустить второй потенциал действия. Если его не остановить, будет создан бесконечный цикл потенциалов действия, запускаемых их собственным эхом. Чтобы предотвратить такой цикл, большинство нейронов имеют относительно высокую плотность Каналы K + типа A.

K + каналы A-типа относятся к суперсемейству потенциалзависимые ионные каналы и являются трансмембранными каналами, которые помогают поддерживать мембранный потенциал клетки (Cai 2007). Как правило, они играют решающую роль в возвращении клетки к ее мембране покоя вслед за потенциалом действия, позволяя тормозному току ионов K + быстро вытекать из нейрона. Присутствие этих каналов в такой высокой плотности в дендритах объясняет их неспособность инициировать потенциал действия даже во время синаптического входа. Кроме того, наличие этих каналов обеспечивает механизм, с помощью которого нейрон может подавлять и регулировать обратное распространение потенциалов действия через дендрит (Vetter 2000). Фармакологические антагонисты этих каналов увеличивают частоту обратного распространения потенциалов действия, что демонстрирует их важность в предохранении клетки от чрезмерного возбуждения (Waters et al., 2004). Результаты показали линейное увеличение плотности каналов А-типа с увеличением расстояния в дендрит от сомы. Увеличение плотности каналов А-типа приводит к ослаблению потенциала обратного распространения по мере его продвижения в дендрит. По существу, ингибирование происходит из-за того, что каналы A-типа облегчают отток ионов K +, чтобы поддерживать мембранный потенциал ниже пороговых уровней (Cai 2007). Такое ингибирование ограничивает ВПСП и защищает нейрон от входа в бесконечную петлю положительно-положительной обратной связи между сомой и дендритами.

История

С 1950-х годов существуют доказательства того, что нейроны в Центральная нервная система генерировать потенциал действия, или скачок напряжения, который проходит через аксон чтобы сигнализировать следующему нейрону и распространяется через дендриты посылая ретроградный сигнал своим пресинаптическим сигнальным нейронам. Этот ток значительно снижается с увеличением длины пути вдоль дендритов, поэтому прогнозируется, что эффекты будут более значительными для нейронов, чьи синапсы находятся рядом с телом постсинаптической клетки, причем величина зависит в основном от плотности натриевых каналов в дендрите. Это также зависит от формы дендритного дерева и, что более важно, от скорости сигнальных токов к нейрону. В среднем, импульс обратного распространения теряет примерно половину своего напряжения после прохождения почти 500 микрометров.

Обратное распространение происходит активно в неокортекс, гиппокамп, черная субстанция, и спинной мозг, а в мозжечок это происходит относительно пассивно. Это согласуется с наблюдениями, что синаптическая пластичность гораздо более очевиден в таких областях, как гиппокамп, который контролирует пространственную память, чем мозжечок, который контролирует бессознательные и вегетативные функции.

Обратный ток также вызывает изменение напряжения, которое увеличивает концентрацию Ca2+ в дендритах, событие, которое совпадает с определенными моделями синаптической пластичности. Это изменение также влияет на будущую интеграцию сигналов, приводя, по крайней мере, к краткосрочной разнице в ответах между пресинаптическими сигналами и постсинаптическим спайком.[1]

Функции

Хотя еще предстоит найти ответы на многие вопросы относительно нейронного обратного распространения, существует ряд гипотез относительно его функции. Некоторые предлагаемые функции включают участие в синаптическая пластичность, участие в дендродендритный торможение, усиление синаптические ответы, восстановление мембранного потенциала, ретроградные действия в синапсах и условный выход аксонов. Считается, что обратное распространение способствует формированию LTP (долгосрочной потенциации) и пластичности Хеббуса в синапсах гиппокампа. Поскольку для искусственной индукции LTP с использованием стимуляции микроэлектродом, фиксации напряжения и т. Д. Требуется, чтобы постсинаптическая клетка была немного деполяризована при активации EPSP, обратное распространение может служить средством деполяризации постсинаптической клетки.

Потенциалы обратного распространения могут вызывать долговременную потенциацию, действуя как сигнал, информирующий пресинаптическую клетку о том, что постсинаптическая клетка сработала. Более того, Пластичность, зависящая от времени спайка известен как узкий временной интервал, в течение которого случайное срабатывание как пре, так и постсинаптических нейронов вызовет пластичность. В этом окне происходит обратное нейронное распространение для взаимодействия с Рецепторы NMDA в апикальных дендритах, помогая удалить чувствительный к напряжению блок Mg2 + (Waters et al., 2004). Этот процесс допускает большой приток кальция, который вызывает каскад событий, вызывающих потенцирование.

В современной литературе также предполагается, что потенциалы действия обратного распространения также ответственны за высвобождение ретроградных нейротрансмиттеров и трофических факторов, которые вносят вклад в краткосрочную и долгосрочную эффективность между двумя нейронами. Так как потенциалы действия обратного распространения по существу демонстрируют копию паттерна возбуждения аксонов нейронов, они помогают установить синхронность между пре- и постсинаптическими нейронами (Waters et al., 2004).

Важно отметить, что для высвобождения нейротрофического фактора мозга (BDNF) необходимы потенциалы действия обратного распространения. BDNF является важным компонентом для индукции синаптической пластичности и развития (Kuczewski N., Porcher C., Ferrand N., 2008). Кроме того, было показано, что потенциалы действия обратного распространения индуцируют BDNF-зависимое фосфорилирование белка, связывающего циклический элемент ответа AMP (CREB), который, как известно, является основным компонентом синаптической пластичности и формирования памяти (Kuczewski N., Porcher C., Lessmann V ., et al. 2008).

Алгоритм

Хотя потенциал действия обратного распространения предположительно может вызывать изменения веса пресинаптических связей, не существует простого механизма для распространения сигнала ошибки через несколько слоев нейронов, как в компьютере. обратное распространение алгоритм. Однако простые линейные топологии показали, что эффективные вычисления возможны благодаря обратному распространению сигнала в этом биологическом смысле.[2]

Рекомендации

  1. ^ Стюарт, G; Spruston, N; Сакманн, Б; Häusser, M (1997). «Инициирование потенциала действия и обратное распространение в нейронах ЦНС млекопитающих». Тенденции в неврологии. 20 (3): 125–31. Дои:10.1016 / s0166-2236 (96) 10075-8. PMID  9061867.
  2. ^ Богач, Рафаль; Малькольм В. Браун; Кристоф Жиро-Каррье (2000). Обратное распространение ошибок на основе частоты в кортикальной сети (PDF). Труды международной совместной конференции IEEE-INNS-ENNS по нейронным сетям, Комо (Италия). 2. С. 211–216. CiteSeerX  10.1.1.22.8774. Дои:10.1109 / IJCNN.2000.857899. ISBN  978-0-7695-0619-7. 0-7695-0619-4. Архивировано из оригинал (– Академический поиск) 14 июня 2007 г.. Получено 2007-11-18.
  1. Buzsáki, G; Кандел, А (1998). «Сомадендритное обратное распространение потенциалов действия в корковых пирамидных клетках бодрствующей крысы». Журнал нейрофизиологии. 79 (3): 1587–91. Дои:10.1152 / jn.1998.79.3.1587. PMID  9497436.

[1][2][3][4]

  1. ^ Рапп, М; Яром, Й; Сегев, I (октябрь 1996 г.). «Моделирование потенциала обратного распространения действия в слабо возбудимых дендритах пирамидных клеток неокортекса». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 93 (21): 11985–11990. Дои:10.1073 / пнас.93.21.11985. ЧВК  38170. PMID  8876249.
  2. ^ Вода, Дж; Шефер, А; Сакманн, Б. (сентябрь 2004 г.). «Потенциалы обратного распространения в нейронах: измерение, механизмы и потенциальные функции». Прогресс в биофизике и молекулярной биологии. 87 (1): 145–170. Дои:10.1016 / j.pbiomolbio.2004.06.009. PMID  15471594.
  3. ^ Кучевский, Н; Porcher, C; Ферран, N; и другие. (Июль 2008 г.). «Возможности обратного распространения вызывают дендритное высвобождение BDNF во время спонтанной сетевой активности». Журнал неврологии. 28 (27): 7013–7023. Дои:10.1523 / JNEUROSCI.1673-08.2008. ЧВК  6670985. PMID  18596175.
  4. ^ Кучевский, Н; Porcher, C; Lessmann, V; и другие. (Октябрь 2008 г.). «Обратно-распространяющийся потенциал действия». Коммуникативная и интегративная биология. 1 (2): 1–3.