Czy kodowanie elektryczne mózgu dostosowuje architekturę subkomórkową?

Aby wytworzyć wiele funkcji, w tym myślenie, mózg działa na wielu poziomach. Informacje, takie jak cele lub obrazy, są reprezentowane przez skoordynowaną aktywność elektryczną między sieciami neuronów, podczas gdy w każdym neuronie i wokół niego koktajl białek i innych substancji chemicznych faktycznie realizuje mechanizmy zaangażowane w sieć.

Nowy artykuł naukowców z MIT, City University – University of London i Johns Hopkins University zakłada, że ​​sieciowe pola elektryczne wpływają na fizyczną konfigurację subkomórkowych komponentów neuronów w celu poprawy stabilności i wydajności sieci, hipotezę, którą autorzy nazywają „komórkowym sprzężeniem elektrycznym”. „

„Informacje przetwarzane przez mózg odgrywają rolę w dostrajaniu sieci do poziomu molekularnego” – powiedział. Earl K. Młynarzprofesor Picower w Picower Institute for Learning and Memory na MIT, który jest współautorem artykułu w Progress in Neurobiology wraz z profesorem nadzwyczajnym Dimitris Pinoutsis z MIT i City-University of London oraz profesor Jane Friedman z Johns Hopkins.

„Mózg dostosowuje się do zmieniającego się świata” – powiedział Benoutsis. „Białka i cząsteczki również się zmieniają. Mogą mieć ładunki elektryczne i muszą nadążać za neuronami, które przetwarzają, przechowują i przesyłają informacje za pomocą sygnałów elektrycznych. Interakcja z polami elektrycznymi neuronów wydaje się być niezbędna.”

Myślenie w domenach

Laboratorium Millera koncentruje się głównie na badaniu, w jaki sposób funkcje poznawcze wyższego poziomu, takie jak pamięć robocza, mogą wyłaniać się szybko, elastycznie, a jednocześnie niezawodnie z aktywności milionów pojedynczych neuronów. Neurony są w stanie dynamicznie kształtować obwody, tworząc i usuwając połączenia zwane synapsami, a także wzmacniając lub osłabiając te połączenia. Ale Miller powiedział, że to tylko „mapa drogowa”, wokół której mogą przepływać informacje. Miller odkrył, że określone obwody nerwowe, które zbiorowo reprezentują tę czy inną myśl, są koordynowane przez rytmiczną aktywność, zwaną potocznie „falami mózgowymi” o różnych częstotliwościach.

Szybkie rytmy „gamma” pomagają przekazywać obrazy z naszego wzroku (np. pączek), podczas gdy wolniejsze fale „beta” mogą przenosić głębsze myśli na temat tego obrazu (np. „zbyt wiele kalorii”). Wybuchy tych fal w czasie mogą nieść przewidywania i umożliwiać zapisywanie, przechowywanie i odczytywanie informacji. Pamięć roboczaPokazało laboratorium Millera. Oni Separacja Kiedy pamięć też działa. Laboratorium zgłosiło dowody na to, że mózg może wyraźnie manipulować rytmami w określonych fizycznych lokalizacjach, aby dalej regulować neurony w celu płynnego poznania, koncepcja zwana „obliczenia przestrzenne. „

Niedawne prace laboratoryjne wykazały, że chociaż udział poszczególnych neuronów w sieciach może być zmienny i zawodny, informacje przenoszone przez sieci, których są częścią, są niezmiennie reprezentowane przez pola elektryczne wynikające z ich zbiorowej działalności.

Komórkowe sprzężenie elektryczne

W nowym badaniu autorzy połączyli ten model rytmicznej aktywności elektrycznej koordynującej sieci neuronowe z innymi dowodami na to, że pola elektryczne mogą wpływać na neurony na poziomie molekularnym.

Naukowcy badali na przykład spójnik efaptyczny, gdzie neurony wpływają na swoje właściwości elektryczne przez bliskość swoich błon, zamiast polegać wyłącznie na wymianie elektrochemicznej między synapsami. Ten przesłuch elektryczny może wpływać na funkcje neurologiczne, w tym kiedy i czy wystąpią kule Przekazywanie sygnałów elektrycznych do innych neuronów w obwodzie.

Miller, Benoutsis i Friedman cytują również badania pokazujące inne efekty elektryczne na komórki i ich komponenty, w tym w jaki sposób Neurorozwój Kierując się domenami i tyle mikroskopijne rurki mogą być przez nich wyrównane.

Jeśli mózg przenosi informacje w polach elektrycznych, a te pola elektryczne są w stanie tworzyć neurony i inne elementy w mózgu, które tworzą sieć, to jest bardziej prawdopodobne, że mózg wykorzysta tę zdolność. Autorzy sugerują, że mózg może wykorzystywać pola, aby upewnić się, że sieć robi to, co powinna.

Ujmując to (luźno) w kategoriach ziemniaków, sukces telewizji sieciowej nie polega tylko na jej zdolności do wysyłania wyraźnego sygnału do milionów domów. Ważne są również drobne szczegóły, takie jak sposób, w jaki każdy dom rozmieszcza telewizor, system dźwiękowy i meble w salonie, aby zmaksymalizować wrażenia. Obecność sieci zarówno w tej metaforze, jak iw mózgu motywuje poszczególnych uczestników do skonfigurowania swojej infrastruktury w celu optymalnego zaangażowania, powiedział Miller.

„Sprzężenie cytoelektryczne łączy informacje na poziomie mezoskalowym i makroskopowym aż do poziomu mikroskopowego białek, które tworzą molekularne podstawy pamięci” – napisali autorzy w artykule.

Artykuł przedstawia inspirujące argumenty przemawiające za sprzężeniem fotowoltaicznym. „Podajemy hipotezę, którą każdy może przetestować” – powiedział Miller.

Wsparcie dla badań pochodziło ze Zjednoczonego Królestwa ds. Badań i Innowacji (UKRI), amerykańskiego Biura Badań Marynarki Wojennej, Fundacji JPB oraz Picower Institute for Learning and Memory.