Kanały, które dostarczają informacje do mózgu. Jak mózg reaguje na informacje
narządy wzroku na ekspozycję na światło,
narządy słuchu do falowych wibracji powietrza,
Narządy dotykowe do uderzenia mechanicznego,
Narządy smaku pod kątem efektów chemicznych w okolicy ust,
Narządy węchu na efekty chemiczne w okolicy nosa.
Aby mózg zareagował na bodziec, w każdej modalności sensorycznej odpowiednia energia fizyczna musi najpierw zostać przekształcona w energię elektryczną. Co więcej, te sygnały – każdy na swój sposób – podążają do mózgu. Ten proces przekształcania energii fizycznej w energię elektryczną jest przeprowadzany przez specjalne komórki w narządach zmysłów zwanych receptorami.
Receptory wzrokowe znajdują się w cienkiej warstwie po wewnętrznej stronie oka. Każdy receptor wzrokowy zawiera substancję chemiczną, która reaguje na światło, a ta reakcja wyzwala serię zdarzeń, które skutkują impulsem nerwowym.
Receptory słuchowe to cienkie komórki rzęsate znajdujące się głęboko w uchu. Wibracje powietrza wyginają te komórki rzęsate, powodując impuls nerwowy.
Natura wymyśliła podobne „sztuczki” dla innych modalności sensorycznych.
Receptor to neuron, czyli komórka nerwowa, aczkolwiek wyspecjalizowana. Wzbudzony receptor wysyła sygnał elektryczny do neuronów pośredniczących. Ci - w obszarze receptywnym kory mózgowej. Każda modalność sensoryczna ma swoją własną strefę odbioru.
W receptywnej lub innej strefie kory pojawia się świadome doświadczenie wrażeń. Mózg i świadomość odbierają nie tylko efekt bodźca, ale także szereg cech bodźca, na przykład intensywność efektu.
Im większa intensywność uderzenia, tym wyższa częstotliwość impulsów nerwowych – w ten sposób natura zakodowała tę korespondencję. Im wyższa częstotliwość impulsów nerwowych, tym większa intensywność odczuwanego bodźca przez mózg i świadomość.
Dla dokładniejszego określenia sygnału (np. jakiego koloru jest światło, czy jaki smak ma jedzenie) istnieją specyficzne neurony (jeden neuron przekazuje informację o kolorze niebieskim, inny o zielonym, trzeci o kwaśnym jedzeniu, czwarty o słonych...).
V percepcja dźwięku cechy czucia mogą być zakodowane przez kształt sygnału elektrycznego wchodzącego do mózgu. Jeśli przebieg jest zbliżony do sinusoidy, ten dźwięk jest dla nas przyjemny.
Literatura
Atkinson RL, Agkinson RS, Smith EE Wprowadzenie do psychologii: podręcznik dla uniwersytetów / Per. z angielskiego pod. wyd. W.P. Zinczenko. - M .: Trivola, 1999.Skład ludzkiego mózgu obejmuje strukturalne i funkcjonalnie połączone neurony. Ten narząd ssaka zawiera od 100 do 100 miliardów neuronów, w zależności od gatunku.
Każdy neuron ssaka składa się z komórki - elementarnej jednostki strukturalnej, dendrytów (wyrostek krótki) i aksonu (wyrostek długi). Ciało elementarnej jednostki strukturalnej zawiera jądro i cytoplazmę.
Akson opuszcza ciało komórki i często tworzy wiele małych gałęzi przed dotarciem do zakończeń nerwowych.
Dendryty rozciągają się z ciała komórki nerwowej i odbierają wiadomości z innych jednostek układu nerwowego.
Synapsy- są to kontakty, w których jeden neuron łączy się z drugim. Dendryty pokryte są synapsami, które tworzą końce aksonów innych jednostek strukturalnych i funkcjonalnych układu.
Skład ludzkiego mózgu to 86 miliardów neuronów składających się w 80% z wody i zużywających około 20% tlenu przeznaczonego dla całego organizmu, chociaż jego masa to zaledwie 2% masy ciała.
Jak sygnały są przekazywane w mózgu?
Kiedy jednostki układu funkcjonalnego, neurony odbierają i wysyłają wiadomości, przesyłają impulsy elektryczne wzdłuż swoich aksonów, które mogą mieć różną długość od centymetra do jednego metra lub więcej. jasne jest, że jest to bardzo trudne.
Wiele aksonów jest pokrytych wielowarstwową osłonką mielinową, która przyspiesza transmisję sygnałów elektrycznych wzdłuż aksonu. Powłoka ta jest tworzona przy użyciu wyspecjalizowanych jednostek strukturalnych gleju. W organie system centralny glej nazywa się oligodendrocytami, aw obwodowym układzie nerwowym nazywa się komórkami Schwanna. Ośrodek mózgowy zawiera co najmniej dziesięć razy więcej gleju niż jednostki układu nerwowego. Glia ma wiele funkcji. Znaczenie gleju w transporcie składników odżywczych do neuronów, oczyszczaniu, przetwarzaniu części martwych neuronów.
Aby przekazywać sygnały, jednostki funkcjonalne układu ciała żadnego ssaka nie działają samodzielnie. W obwodzie neuronowym aktywność jednej jednostki strukturalnej wpływa bezpośrednio na wiele innych. Aby zrozumieć, w jaki sposób te interakcje rządzą funkcjonowaniem mózgu, neuronaukowcy badają połączenia między komórkami nerwowymi oraz sposób, w jaki przekazują one sygnały w mózgu i zmieniają się w czasie. Badanie to może pomóc naukowcom w lepszym zrozumieniu rozwoju układu nerwowego, podatności na choroby lub urazy oraz zaburzeń naturalnych rytmów połączeń mózgowych. Dzięki nowej technologii obrazowania naukowcy są teraz w stanie lepiej wizualizować obwody łączące regiony i skład ludzkiego mózgu. 
Postępy w technikach, mikroskopii i informatyce umożliwiają naukowcom rozpoczęcie mapowania połączeń między poszczególnymi komórkami nerwowymi zwierząt lepiej niż kiedykolwiek wcześniej.
Dzięki dokładnemu badaniu składu ludzkiego mózgu naukowcy mogą rzucić światło na zaburzenia mózgu i błędy w rozwoju sieci neuronowej, w tym autyzm i schizofrenię.
Zasady przekazywania informacji i strukturalna organizacja mózgu
Plan
Wstęp
Zasady przekazywania informacji i strukturalna organizacja mózgu
Połączenia w prostych układach nerwowych
Złożone sieci neuronowe i wyższe funkcje mózgu
Struktura siatkówki
Obrazy i połączenia neuronów
Ciało komórki, aksony dendrytów
Metody identyfikacji neuronów i śledzenia ich połączeń. Nerwowe elementy mózgu
Grupowanie komórek według funkcji
Podtypy i funkcje komórek
Zbieżność i rozbieżność więzi
Literatura
Wstęp
Terminy „neurobiologia” i „neuronauka” weszły do użytku w latach 60. XX wieku, kiedy Stephen Kuffler stworzył pierwszy wydział w Harvard Medical School, który obejmował fizjologów, anatomów i biochemików. Pracując razem, rozwiązali problemy funkcjonowania i rozwoju układu nerwowego, zbadali mechanizmy molekularne mózgu.
Centralny układ nerwowy to nieprzerwanie działający konglomerat komórek, które nieustannie otrzymują informacje, analizują je, przetwarzają i podejmują decyzje. Mózg jest również w stanie przejąć inicjatywę i wytworzyć skoordynowane, wydajne skurcze mięśni podczas chodzenia, połykania lub śpiewania. Do regulacji wielu aspektów zachowania oraz do bezpośredniej lub pośredniej kontroli całego ciała, układ nerwowy posiada ogromną liczbę linii komunikacyjnych zapewnianych przez komórki nerwowe (neurony). Neurony są podstawową jednostką lub budulcem mózgu.
Połączenia w prostych układach nerwowych
Zdarzenia zachodzące podczas realizacji prostych odruchów można prześledzić i szczegółowo przeanalizować. Na przykład, gdy więzadło kolana zostanie uderzone małym młotkiem, mięśnie i ścięgna uda są rozciągane, a impulsy elektryczne przemieszczają się wzdłuż włókien nerwów czuciowych do rdzenia kręgowego, gdzie pobudzane są komórki motoryczne, wytwarzając impulsy i aktywując skurcze mięśni. Efektem końcowym jest wyprostowanie nogi w stawie kolanowym. Takie uproszczone schematy są bardzo ważne dla regulacji skurczów mięśni, które kontrolują ruchy kończyn. W tak prostym odruchu, w którym bodziec prowadzi do określonego wyjścia, można z powodzeniem przeanalizować rolę sygnałów i interakcji zaledwie dwóch typów komórek.
Złożone sieci neuronowe i wyższe funkcje mózgu
Analiza interakcji neuronów w złożonych ścieżkach obejmujących dosłownie miliony neuronów jest znacznie trudniejsza niż analiza prostych odruchów. Odnośnie-
Przekazywanie informacji do mózgu podczas percepcji dźwięku, dotyku, zapachu lub obrazu wymaga sekwencyjnego zaangażowania neuron po neuronie, tak jak przy wykonywaniu prostego, świadomego ruchu. Poważny problem w analizie interakcji neuronów i struktury sieci wynika z gęstego upakowania komórek nerwowych, złożoności ich wzajemnych połączeń oraz mnogości typów komórek. Mózg nie przypomina wątroby, która składa się z tych samych populacji komórek. Jeśli odkryłeś, jak działa jeden obszar wątroby, to ogólnie wiesz dużo o wątrobie. Jednak wiedza o móżdżku nie powie nic o tym, jak działa siatkówka lub jakakolwiek inna część ośrodkowego układu nerwowego.
Pomimo ogromnej złożoności układu nerwowego, możliwe jest obecnie analizowanie wielu sposobów interakcji neuronów w percepcji. Na przykład, rejestrując aktywność neuronów na drodze od oka do mózgu, można najpierw prześledzić sygnały w komórkach, które specyficznie reagują na światło, a następnie, krok po kroku, poprzez sekwencyjne przełączanie, do wyższych ośrodków mózg.
Ciekawą cechą systemu wizualnego jest możliwość podkreślenia kontrastujących obrazów, kolorów i ruchów w ogromnej gamie intensywności kolorów. Gdy czytasz tę stronę, sygnały w oku umożliwiają wyróżnienie czarnych liter na białej stronie w ciemnym pomieszczeniu lub w jasnym świetle słonecznym. Określone połączenia w mózgu tworzą jeden obraz, nawet jeśli dwoje oczu jest od siebie oddalonych i skanuj różne obszary świata zewnętrznego. Ponadto istnieją mechanizmy, które zapewniają spójność obrazu (choć nasze oczy są w ciągłym ruchu) i dostarczają dokładnych informacji o odległości od strony.
Jak połączenia komórek nerwowych zapewniają takie zjawiska? Chociaż nie jesteśmy jeszcze w stanie przedstawić pełnego wyjaśnienia, wiele wiadomo o tym, jak te właściwości widzenia zapewniają proste sieci neuronowe w oku i podczas początkowych etapów przełączania w mózgu. Oczywiście pozostaje wiele pytań dotyczących związków między właściwościami neuronów a zachowaniem. Tak więc, aby przeczytać stronę, musisz zachować określoną pozycję ciała, głowy i rąk. Co więcej, mózg musi zapewniać stałe nawodnienie gałki ocznej, stały oddech i wiele innych mimowolnych i niekontrolowanych funkcji.
Funkcja siatkówki jest dobrym przykładem podstawowych zasad działania układu nerwowego.
Ryż. 1.1. Drogi od oka do mózgu przez nerw wzrokowy i drogę wzrokową.
Struktura siatkówki
Analiza świata wizualnego opiera się na informacjach pochodzących z siatkówki oka, gdzie następuje pierwszy etap przetwarzania, wyznaczający granice naszej percepcji. Na ryc. 1.1 pokazuje ścieżki od oka do wyższych ośrodków mózgu. Obraz docierający do siatkówki jest odwrócony, ale pod każdym innym względem przedstawia bona fide obraz świata zewnętrznego. W jaki sposób ten obraz może być przekazywany do naszego mózgu za pośrednictwem sygnałów elektrycznych, które powstają w siatkówce, a następnie przemieszczają się wzdłuż nerwów wzrokowych?
Obrazy i połączenia neuronów
Na ryc. 1.2 są pokazane różne rodzaje komórki i ich lokalizacja w siatkówce. Światło wpadające do oka przechodzi przez warstwy przezroczystych komórek i dociera do fotoreceptorów. Sygnały przekazywane z oka wzdłuż włókien nerwu wzrokowego są jedynymi sygnałami informacyjnymi, na których opiera się nasze widzenie.
Schemat przepływu informacji przez siatkówkę (ryc. 1.2A) zaproponował Santiago Ramón y Cajálem1) pod koniec XIX wieku. Był jednym z największych badaczy układu nerwowego i przeprowadzał eksperymenty na wielu różnych zwierzętach. Dokonał znacznego uogólnienia, że kształt i lokalizacja neuronów, a także obszar pochodzenia i ostateczny cel sygnałów neuronalnych w sieci dostarczają niezbędnych informacji o funkcjonowaniu układu nerwowego.
Na ryc. 1.2 wyraźnie pokazuje, że komórki siatkówki, podobnie jak w innych częściach ośrodkowego układu nerwowego (OUN), są bardzo gęsto upakowane. Na początku morfolodzy musieli rozerwać tkankę nerwową, aby zobaczyć poszczególne komórki nerwowe. Metody barwienia wszystkich neuronów są praktycznie bezużyteczne do badania kształtu i połączenia komórek, ponieważ struktury takie jak siatkówka wyglądają jak ciemna plama splecionych ze sobą komórek i procesów. Mikrograf elektronowy na ryc. 1.3 pokazuje, że przestrzeń zewnątrzkomórkowa wokół neuronów i komórek podporowych ma szerokość zaledwie 25 nanometrów. Większość rysunków Ramona y Cajala została wykonana metodą barwienia Golgiego, która w nieznanym mechanizmie barwi tylko kilka przypadkowych neuronów z całej populacji, ale te nieliczne neurony są całkowicie wybarwione.
Ryż. 1.2. Budowa i połączenia komórek siatkówki ssaków. (A) Schemat kierunku sygnału od receptora do nerwu wzrokowego według Ramona-i-Cajala. (B) Rozkład Ramon-i-Cajal elementów komórkowych siatkówki. (C) Rysunki pręcików i czopków ludzkiej siatkówki.
Ryż. 1.3. Gęste upakowanie neuronów w siatkówce małpy. Zaznaczono jeden pręt (R) i jeden stożek (C).
Schemat na ryc. 1.2 pokazuje zasadę uporządkowanego rozmieszczenia neuronów w siatkówce. Łatwo rozróżnij fotoreceptory, komórki dwubiegunowe i zwojowe. Kierunek transmisji jest od wejścia do wyjścia, od fotoreceptorów do komórek zwojowych. Ponadto dwa inne typy komórek, pozioma i amakrynowa, tworzą wiązania łączące różne szlaki. Jednym z celów neuronauki, obecnym na rysunkach Ramon-y-Cajala, jest zrozumienie, w jaki sposób każda komórka uczestniczy w tworzeniu obrazu świata, który obserwujemy.
Ciało komórki, dendryty, aksony
Komórka zwojowa pokazana na ryc. 1.4 ilustruje cechy strukturalne komórek nerwowych właściwych wszystkim neuronom ośrodkowego i obwodowego układu nerwowego. Ciało komórki zawiera jądro i inne organelle wewnątrzkomórkowe wspólne dla wszystkich komórek. Długi proces, który opuszcza ciało komórki i tworzy połączenie z komórką docelową, nazywa się aksonem. Terminy dendryt, ciało komórki i akson odnoszą się do procesów, w których nadchodzące włókna tworzą styki, które działają jako stacje odbiorcze wzbudzania lub hamowania. Oprócz komórki zwojowej, ryc. 1.4 pokazuje inne typy neuronów. Terminy opisujące strukturę neuronu, w szczególności dendrytów, są nieco kontrowersyjne, niemniej jednak są wygodne i szeroko stosowane.
Nie wszystkie neurony odpowiadają prostej strukturze komórkowej pokazanej na ryc. 1.4. Niektórym neuronom brakuje aksonów; inne mają aksony, na których można utworzyć połączenie. Istnieją komórki, których dendryty mogą przewodzić impulsy i tworzyć wiązania z komórkami docelowymi. Jeśli komórka zwojowa pasuje do wzorca standardowego neuronu z dendrytami, ciałem i aksonem, to inne komórki nie pasują do tego standardu. Na przykład fotoreceptory (rysunek 1.2C) nie mają wyraźnych dendrytów. Aktywność fotoreceptorów nie jest powodowana przez inne neurony, ale jest aktywowana przez bodźce zewnętrzne, oświetlenie. Innym wyjątkiem w siatkówce jest brak aksonów w fotoreceptorach.
Metody identyfikacji neuronów i śledzenia ich połączeń
Chociaż technika Golgiego jest nadal szeroko stosowana, wiele nowych podejść ułatwiło funkcjonalną identyfikację neuronów i połączeń synaptycznych. Cząsteczki barwiące cały neuron można wstrzyknąć przez mikropipetę, która jednocześnie rejestruje sygnał elektryczny. Markery fluorescencyjne, takie jak żółty Lucyfer, pozwalają zobaczyć najcieńsze procesy w żywej komórce. Można wprowadzić markery wewnątrzkomórkowe, takie jak enzym peroksydaza chrzanowa (HRP) lub biocytyna; po utrwaleniu tworzą gęsty produkt lub świecą jasno w świetle fluorescencyjnym. Neurony można barwić peroksydazą chrzanową i aplikować pozakomórkowo; enzym jest wychwytywany i transportowany do ciała komórki. Fluorescencyjne barwniki karbocyjaninowe w kontakcie z błoną neuronu rozpuszczają się i dyfundują na całej powierzchni komórki.
Ryż. 1.4. Kształty i rozmiary neuronów.
Ryż. 1.5. Grupa komórek dwubiegunowych wybarwionych przeciwciałem dla enzymu fosfokinazy C. Wybarwiono tylko komórki zawierające enzym.
Techniki te są bardzo ważne dla śledzenia przejścia aksonów z jednej części układu nerwowego do drugiej.
Przeciwciała są używane do opisywania określonych neuronów, dendrytów i synaps poprzez selektywne znakowanie składników wewnątrzkomórkowych lub błonowych. Przeciwciała są z powodzeniem wykorzystywane do śledzenia migracji i różnicowania komórek nerwowych w ontogenezie. Dodatkowym podejściem do opisu neuronów jest hybrydyzacja na miejscu: specjalnie oznakowane sondy znakują mRNA neuronu, które kodują syntezę kanału, receptora, przekaźnika lub elementu strukturalnego.
Nerwowe elementy mózgu
glejowy komórki. W przeciwieństwie do neuronów nie mają aksonów ani dendrytów i nie są bezpośrednio połączone z komórkami nerwowymi. W układzie nerwowym znajduje się wiele komórek glejowych. Pełnią wiele różnych funkcji transmisji sygnału. Na przykład aksony komórek zwojowych siatkówki, które tworzą nerw wzrokowy, bardzo szybko przewodzą impulsy, ponieważ są otoczone izolującą osłonką lipidową zwaną mieliną. Mielina jest tworzona przez komórki glejowe, które owijają się wokół aksonów podczas rozwoju ontogenetycznego. Komórki glejowe siatkówki są znane jako komórki Müllera.
Grupowanie komórek według funkcji
Niezwykłą właściwością siatkówki jest ułożenie komórek według funkcji. Ciała komórkowe fotoreceptorów, komórek poziomych, dwubiegunowych, amakrynowych i zwojowych są ułożone w odrębne warstwy. To nawarstwianie jest widoczne w całym mózgu. Na przykład struktura, w której włókna zakończenia nerwu wzrokowego (ciało kolankowate boczne) składa się z 6 warstw komórek, które są łatwe do odróżnienia nawet gołym okiem. W wielu obszarach układu nerwowego komórki o podobnych funkcjach są pogrupowane w odrębne sferyczne struktury znane jako jądra (nie mylić z jądrem komórkowym) lub zwoje (nie mylić z komórkami zwojowymi siatkówki).
Podtypy i funkcje komórek
Istnieje kilka różnych typów komórek zwojowych, poziomych, dwubiegunowych i amakrynowych, z których każda ma charakterystyczną morfologię, specyficzność przekaźnikową i właściwości fizjologiczne. Na przykład fotoreceptory dzielą się na dwie łatwo rozróżnialne klasy - pręciki i czopki - które pełnią różne funkcje. Podłużne kije są niezwykle wrażliwe na najmniejsze zmiany oświetlenia. Gdy czytasz tę stronę, światło otoczenia jest zbyt jasne dla patyków, które działają tylko w słabym świetle po długim okresie ciemności. Czopki reagują na bodźce wzrokowe w jasnym świetle. Co więcej, czopki są dalej klasyfikowane na podtypy fotoreceptorów, które są wrażliwe na kolor czerwony, zielony lub niebieski. Komórki amakrynowe są uderzającym przykładem różnorodności komórkowej: ponad 20 typów można rozróżnić na podstawie kryteriów strukturalnych i fizjologicznych.
W ten sposób siatkówka ilustruje najgłębsze problemy współczesnej neuronauki. Nie wiadomo, dlaczego potrzebnych jest tak wiele typów komórek amakrynowych i jakie różne funkcje spełnia każdy z tych typów komórek. Otrzeźwiająca jest świadomość, że funkcja przytłaczającej większości komórek nerwowych w ośrodkowym, obwodowym i trzewnym układzie nerwowym jest nieznana. Jednocześnie ta ignorancja sugeruje, że wiele podstawowych zasad działania mózgów robotów nie zostało jeszcze zrozumianych.
Zbieżność i rozbieżność więzi
Na przykład następuje silny spadek liczby zaangażowanych komórek na drodze od receptorów do komórek zwojowych. Wyjścia ponad 100 milionów receptorów zbiegają się w 1 milionie komórek zwojowych, których aksony tworzą nerw wzrokowy. Tak więc wiele (ale nie wszystkie) komórek zwojowych otrzymuje sygnały z dużej liczby fotoreceptorów (konwergencja) za pośrednictwem komórek interkalarnych. Z kolei jedna komórka zwojowa intensywnie rozgałęzia się i kończy na wielu komórkach docelowych.
Dodatkowo, w przeciwieństwie do uproszczonego schematu, strzałki powinny wskazywać boki, aby wskazać interakcje między komórkami w tej samej warstwie (połączenia boczne), a nawet w przeciwnych kierunkach – na przykład z powrotem od komórek poziomych do fotoreceptorów (połączenia powrotne). Takie zbieżne, rozbieżne, boczne i nawracające wpływy są trwałymi właściwościami większości ścieżek nerwowych w układzie nerwowym. Tak więc proste, krok po kroku przetwarzanie sygnału jest utrudnione przez interakcje równoległe i odwrotne.
Biologia komórkowa i molekularna neuronów
Podobnie jak inne typy komórek w ciele, neurony w pełni posiadają komórkowe mechanizmy aktywności metabolicznej, syntezy białek błonowych (na przykład białek kanałów jonowych i receptorów). Ponadto białka kanałów jonowych i receptorów są transportowane w sposób ukierunkowany do miejsc lokalizacji w błonie komórkowej. Kanały specyficzne dla sodu lub potasu znajdują się na błonie aksonów komórek zwojowych w odrębnych grupach (klastrach). Kanały te są zaangażowane w inicjowanie i prowadzenie PD.
Zakończenia presynaptyczne, utworzone przez procesy fotoreceptorów, komórek dwubiegunowych i innych neuronów, zawierają w swojej błonie specyficzne kanały, przez które mogą przechodzić jony wapnia. Wejście wapnia wyzwala uwalnianie neuroprzekaźnika. Każdy rodzaj neuronu syntetyzuje, przechowuje i uwalnia określony typ neuroprzekaźnika (neuroprzekaźnika). W przeciwieństwie do wielu innych białek błonowych, receptory dla specyficznych mediatorów zlokalizowane są w ściśle określonych miejscach - błonach postsynaptycznych. Wśród białek błonowych znane są również białka pompujące lub transportowe, których rolą jest utrzymanie niezmienności zawartości wewnętrznej komórki.
Główną różnicą między komórkami nerwowymi a innymi typami komórek w ciele jest obecność długiego aksonu. Ponieważ aksony nie mają biochemicznej „kuchni” do syntezy białek, wszystkie główne cząsteczki muszą być transportowane do końców w procesie zwanym transportem aksonów, często na bardzo duże odległości. Wszystkie cząsteczki potrzebne do utrzymania struktury i funkcji, a także kanały błony molekularnej, wędrują w ten sposób z ciała komórki. Podobnie cząsteczki wychwycone przez błonę końcową wracają do ciała komórki za pomocą transportu aksonalnego.
Neurony różnią się od większości komórek również tym, że z kilkoma wyjątkami nie mogą się dzielić. Oznacza to, że u dorosłych zwierząt martwe neurony nie mogą zostać zastąpione.
Regulacja rozwoju układu nerwowego
Wysoki stopień organizacji struktury takiej jak siatkówka stwarza nowe problemy. Jeśli do zbudowania komputera potrzebny jest ludzki mózg, to nikt nie kontroluje mózgu podczas jego rozwoju i tworzenia połączeń. Wciąż pozostaje zagadką, w jaki sposób prawidłowy „montaż” części mózgu prowadzi do pojawienia się jego unikalnych właściwości.
W dojrzałej siatkówce każdy rodzaj komórki znajduje się w odpowiedniej warstwie lub podwarstwie i tworzy ściśle określone połączenia z odpowiednimi komórkami docelowymi. Takie urządzenie jest warunek konieczny prawidłowe funkcjonowanie. Na przykład, aby mogły się rozwinąć normalne komórki zwojowe, komórka progenitorowa musi się dzielić, migrować do określonej lokalizacji, różnicować się do określonego kształtu i tworzyć specyficzne połączenia synaptyczne.
Aksony tej komórki muszą znaleźć przez znaczną odległość (nerw wzrokowy) pewną warstwę komórek docelowych w następnym ogniwie przełączania synaptycznego. Podobne procesy zachodzą we wszystkich częściach układu nerwowego, w wyniku czego powstają złożone struktury o określonych funkcjach.
Badanie mechanizmów powstawania tak złożonych struktur, jak siatkówka, jest jednym z kluczowych problemów współczesnej neurobiologii. Zrozumienie, w jaki sposób podczas indywidualnego rozwoju (ontogenezy) tworzą się złożone połączenia neuronów, może pomóc opisać właściwości i pochodzenie zaburzeń czynnościowych mózgu. Niektóre cząsteczki mogą odgrywać kluczową rolę w różnicowaniu, wzroście, migracji, synapsie i przeżyciu neuronów. Takie cząsteczki są coraz częściej opisywane. Co ciekawe, sygnały elektryczne regulują sygnały molekularne, które wyzwalają wzrost aksonów i tworzenie wiązań. Aktywność odgrywa rolę w ustalaniu wzorca połączeń.
Podejścia genetyczne umożliwiają identyfikację genów kontrolujących różnicowanie całych narządów, takich jak całe oko. Goering i współpracownicy badali ekspresję genów bezoki muszka owocowa Drosophila, który kontroluje rozwój oczu. Usunięcie tego genu z genomu zapobiega rozwojowi oczu. Geny homologiczne u myszy i ludzi (znane jako małe oko oraz aniridia) mają podobną strukturę. Jeśli homologiczny gen bezoki Ponieważ ssaki są sztucznie inkorporowane i wyrażane w locie, zwierzę to rozwija dodatkowe (w strukturze muchowej) oczy na czułkach, skrzydłach i nogach. Sugeruje to, że gen ten w ten sam sposób kontroluje tworzenie oka u muchy czy myszy, pomimo zupełnie innych struktur i właściwości oczu owadów i ssaków.
Regeneracja układu nerwowego po kontuzji
Układ nerwowy nie tylko nawiązuje połączenia podczas rozwoju, ale może przywrócić niektóre połączenia po uszkodzeniu (twój komputer nie może tego zrobić). Na przykład aksony w dłoni mogą kiełkować po urazie i tworzyć połączenia; ręka może znowu się poruszać i czuć dotyk. Podobnie u żab, ryb czy bezkręgowców obserwuje się regenerację aksonów i przywrócenie funkcji po uszkodzeniu układu nerwowego. Po przecięciu nerwu wzrokowego u żaby lub ryby włókna odrastają i zwierzę może widzieć. Jednak ta zdolność nie jest nieodłączną cechą ośrodkowego układu nerwowego dorosłych kręgowców - nie regenerują się. Sygnały molekularne blokujące regenerację i ich biologiczne znaczenie dla funkcjonowania układu nerwowego nie są znane.
wnioski
∙ Neurony są ze sobą połączone w ściśle określony sposób.
∙ Informacja z komórki do komórki jest przekazywana przez synapsy.
∙ W stosunkowo prostych układach, takich jak siatkówka oka, wszystkie połączenia można prześledzić i zrozumieć znaczenie sygnałów międzykomórkowych.
∙ Komórki nerwowe mózgu są materialnymi elementami percepcji.
∙ Sygnały w neuronach są wysoce stereotypowe i takie same dla wszystkich zwierząt.
∙ Bezstratne potencjały czynnościowe mogą przemieszczać się na duże odległości.
∙ Lokalne stopniowe potencjały zależą od pasywnych właściwości elektrycznych neuronów i rozprzestrzeniają się tylko na krótkie odległości.
∙ Specjalna struktura komórek nerwowych wymaga wyspecjalizowanego mechanizmu transportu aksonów białek i organelli zi do ciała komórki.
∙ Podczas indywidualnego rozwoju neurony migrują do swojej ostatecznej lokalizacji i nawiązują połączenia z celami.
∙ Sygnały molekularne napędzają wzrost aksonów.
Bibliografia
Penrose R. NOWY UMYSŁ KRÓLA. O komputerach, myśleniu i prawach fizyki.
Grzegorz R.L.
Lekakh V.A.Klucz do zrozumienia fizjologii.
Gamow G., Ichas M. Pan Tompkins w sobie: Przygody w nowej biologii.
Kozhedub R.G. Modyfikacje błonowe i synoptyczne w przejawach podstawowych zasad mózgu.
Osoba jest w stanie wyczuwać i postrzegać obiektywny świat dzięki specjalnej aktywności mózgu. To z mózgiem połączone są wszystkie zmysły. Każdy z tych organów reaguje na pewien rodzaj bodźców: narządy wzroku – na działanie światła, narządy słuchu i dotyku – na bodźce mechaniczne, narządy smaku i węchu – na bodźce chemiczne. Jednak sam mózg nie jest w stanie dostrzec tego typu wpływów. „Rozumie” tylko sygnały elektryczne związane z impulsami nerwowymi. Aby mózg zareagował na bodziec, v Dla każdej modalności sensorycznej odpowiednia energia fizyczna musi najpierw zostać przekształcona w sygnały elektryczne, które następnie podążają własną ścieżką do mózgu. Ten proces translacji jest przeprowadzany przez specjalne komórki w narządach zmysłów zwanych receptorami. Na przykład receptory wzrokowe znajdują się w cienkiej warstwie wewnątrz oka; w każdym receptorze wzrokowym znajduje się substancja chemiczna, która reaguje na światło, a ta reakcja wyzwala serię zdarzeń, które skutkują impulsem nerwowym. Receptory słuchowe to cienkie komórki rzęsate znajdujące się głęboko w uchu; wibracje powietrza będące bodźcem dźwiękowym uginają te komórki rzęsate, w wyniku czego powstaje impuls nerwowy. Podobne procesy zachodzą w innych modalnościach sensorycznych.
Receptor to wyspecjalizowana komórka nerwowa lub neuron; podekscytowany wysyła sygnał elektryczny do neuronów pośredniczących. Ten sygnał porusza się, aż dotrze do swojej strefy odbiorczej w korze mózgowej, przy czym każda modalność sensoryczna ma swoją własną strefę odbiorczą. Gdzieś w mózgu - może w obszarze receptywnym kory, a może w innej części kory - sygnał elektryczny powoduje świadome odczuwanie wrażeń. Tak więc, kiedy czujemy dotyk, to uczucie „dzieje się” w naszym mózgu, a nie na skórze. W tym przypadku impulsy elektryczne bezpośrednio pośredniczące w odczuwaniu dotyku były same powodowane impulsami elektrycznymi pochodzącymi z receptorów dotyku, które znajdują się w skórze. Podobnie gorzki smak nie rodzi się w języku, ale w mózgu; ale impulsy mózgowe, które pośredniczą w odczuwaniu smaku, same były wyzwalane przez impulsy elektryczne z kubków smakowych języka.
Mózg odbiera nie tylko efekt bodźca, ale także dostrzega szereg cech bodźca, na przykład intensywność bodźca. W konsekwencji receptory muszą być w stanie kodować parametry intensywności i jakości bodźca. Jak oni to robią?
Aby odpowiedzieć na to pytanie, naukowcy musieli przeprowadzić szereg eksperymentów, aby zarejestrować aktywność pojedynczych komórek receptorowych i ścieżek podczas prezentowania badanemu różnych sygnałów wejściowych lub bodźców. W ten sposób możesz dokładnie określić, na jakie właściwości bodźca reaguje dany neuron. Jak w praktyce przeprowadza się taki eksperyment?
Przed rozpoczęciem eksperymentu zwierzę (małpę) poddaje się operacji chirurgicznej, podczas której w określone obszary kory wzrokowej wszczepia się cienkie druciki. Oczywiście taką operację przeprowadza się w warunkach sterylności i przy odpowiednim znieczuleniu. Cienkie druciki – mikroelektrody – są wszędzie pokryte izolacją, z wyjątkiem samej końcówki, która rejestruje aktywność elektryczną stykającego się z nią neuronu. Po wszczepieniu te mikroelektrody nie powodują bólu, a małpa może żyć i poruszać się całkiem normalnie. Podczas samego eksperymentu małpa jest umieszczana w urządzeniu testującym, a mikroelektrody są podłączone do urządzeń wzmacniających i rejestrujących. Następnie małpa otrzymuje różne bodźce wzrokowe. Obserwując, z której elektrody dochodzi stabilny sygnał, można określić, który neuron odpowiada na każdy z bodźców. Ponieważ sygnały te są bardzo słabe, należy je wzmocnić i wyświetlić na oscyloskopie, który zamienia je na krzywe napięcia. Większość neuronów wytwarza serię impulsów nerwowych, które są odbijane na oscyloskopie w postaci pionowych impulsów (kolców). Nawet przy braku bodźców wiele komórek wytwarza rzadkie impulsy (aktywność spontaniczna). Gdy zostanie przedstawiony bodziec, na który dany neuron jest wrażliwy, można zaobserwować szybką sekwencję impulsów. Rejestrując aktywność pojedynczej komórki, naukowcy dowiedzieli się wiele o tym, jak zmysły kodują intensywność i jakość bodźca. Głównym sposobem kodowania intensywności bodźca jest liczba impulsów nerwowych na jednostkę czasu, tj. częstotliwość impulsów nerwowych. Pokażmy to na przykładzie dotyku. Jeśli ktoś lekko dotknie twojej dłoni, we włóknach nerwowych pojawi się seria impulsów elektrycznych. Jeśli ciśnienie wzrasta, wielkość impulsów pozostaje taka sama, ale ich liczba na jednostkę czasu wzrasta. Tak samo jest z innymi modalnościami. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa intensywność, tym wyższa częstotliwość impulsów nerwowych i większa postrzegana intensywność bodźca.
Intensywność bodźca można zakodować również na inne sposoby. Jednym z nich jest zakodowanie intensywności jako czasowego wzoru podążającego za impulsem. Przy małym natężeniu impulsy nerwowe następują stosunkowo rzadko, a odstęp między sąsiednimi impulsami jest zmienny. Jednak przy dużej intensywności ten odstęp staje się dość stały. Inną możliwością jest zakodowanie intensywności jako bezwzględnej liczby aktywowanych neuronów: im większa intensywność bodźca, tym więcej zaangażowanych neuronów.
Kodowanie jakości bodźca jest bardziej złożone. Próbując wyjaśnić ten proces, I. Müller w 1825 zasugerował, że mózg jest w stanie odróżnić informacje od różnych modalności czuciowych ze względu na fakt, że przemieszcza się wzdłuż różnych nerwów czuciowych (niektóre nerwy przekazują wrażenia wzrokowe, inne - słuchowe itp.). Dlatego jeśli nie weźmiemy pod uwagę kilku stwierdzeń Muellera na temat niepoznawalności realny świat, możemy zgodzić się, że ścieżki nerwowe zaczynające się od różnych receptorów kończą się w różnych obszarach kory mózgowej. W konsekwencji mózg otrzymuje informacje o parametrach jakościowych bodźca dzięki tym kanałom nerwowym, które łączą mózg i receptor. Mózg jest jednak w stanie rozróżnić skutki jednej modalności. Na przykład rozróżniamy czerwony od zielonego lub słodki od kwaśnego. Najwyraźniej kodowanie jest tutaj również związane z konkretnymi neuronami. Na przykład istnieją dowody na to, że dana osoba odróżnia słodki od kwaśnego tylko dlatego, że każdy rodzaj smaku ma własne włókna nerwowe. Zatem włókna „słodkie” przekazują informacje głównie od receptorów słodkich, włókna „kwaśne” - z receptorów kwaśnych, podobnie jak włókna „słone” i włókna „gorzkie”.
Jednak specyficzność nie jest jedyną możliwą zasadą kodowania. Możliwe jest również, że system sensoryczny wykorzystuje określony wzór impulsów nerwowych do kodowania informacji wysokiej jakości. Oddzielne włókno nerwowe, reagujące w miarę możliwości na, powiedzmy, słodkie, może reagować, ale w różnym stopniu, na inne rodzaje bodźców smakowych. Jedno włókno najsilniej reaguje na słodkie, słabiej na gorzkie, a jeszcze słabiej na słone; tak, że „słodki” bodziec aktywowałby dużą liczbę włókien o różnym stopniu pobudliwości, a wtedy ten konkretny wzorzec aktywności nerwowej byłby kodem słodyczy w systemie. Jako gorzki kod, przez włókna przenoszony byłby inny wzór.
Jednak w literatura naukowa możemy spotkać się z inną opinią. Na przykład istnieją wszelkie powody, by twierdzić, że parametry jakościowe bodźca można zakodować w postaci sygnału elektrycznego wchodzącego do mózgu. Z podobnym zjawiskiem spotykamy się, gdy odbieramy barwę głosu lub barwę dźwięku. instrument muzyczny... Jeśli kształt sygnału jest zbliżony do sinusoidy, to barwa jest dla nas przyjemna, ale jeśli kształt znacznie odbiega od sinusoidy, to mamy poczucie dysonansu.
Odbicie w odczuciach parametrów jakościowych bodźca jest więc procesem bardzo złożonym, którego istota nie została do końca poznana.
Autor: Atkinson RL, Atkinson RS, Smith EE i wsp. Wprowadzenie do psychologii: podręcznik dla uniwersytetów / Per. z angielskiego pod. wyd. wiceprezes Zinchenko, - M .: Trivola, 1999.
Uczucia łączą człowieka ze światem zewnętrznym i są zarówno głównym źródłem informacji o nim, jak i głównym warunkiem rozwoju umysłowego. Jednak mimo oczywistości tych przepisów były one wielokrotnie kwestionowane. Przedstawiciele nurtu idealistycznego w filozofii i psychologii często wyrażali pogląd, że prawdziwym źródłem naszej świadomej aktywności nie są doznania, ale wewnętrzny stan świadomości, zdolność racjonalnego myślenia, tkwiąca w naturze i niezależna od napływu napływających informacji ze świata zewnętrznego. Te poglądy stanowiły podstawę filozofii racjonalizm. Jego istota polegała na stwierdzeniu, że świadomość i rozum są podstawową, dalej niewytłumaczalną właściwością ludzkiego ducha.
Filozofowie idealistyczni i wielu psychologów, którzy są zwolennikami koncepcji idealistycznej, często podejmowali próby odrzucenia stanowiska, że doznania człowieka łączą go ze światem zewnętrznym, i udowodnienia przeciwnego, paradoksalnego stanowiska, że doznania oddzielają człowieka od świata zewnętrznego za pomocą ściana nie do pokonania. Podobne stanowisko zajęli przedstawiciele subiektywnego idealizmu (D. Berkeley, D. Hume, E. Mach).
I. Müller, jeden z przedstawicieli nurtu dualistycznego w psychologii, opartego na wspomnianym wyżej stanowisku subiektywnego idealizmu, sformułował teorię „specyficznej energii zmysłów”. Zgodnie z tą teorią, każdy z narządów zmysłów (oko, ucho, skóra, język) nie odzwierciedla skutków świata zewnętrznego, nie dostarcza informacji o rzeczywistych procesach zachodzących w środowisko, ale otrzymuje tylko impulsy z zewnętrznych wpływów, które pobudzają ich własne procesy. Zgodnie z tą teorią każdy narząd zmysłu ma swoją „specyficzną energię”, wzbudzaną przez każdy bodziec pochodzący ze świata zewnętrznego. Wystarczy więc kliknąć na oko lub na nie działać wstrząs elektryczny uzyskać poczucie światła; mechaniczna lub elektryczna stymulacja ucha jest wystarczająca do wywołania wrażenia dźwiękowego. Z tych przepisów wywnioskowano, że narządy zmysłów nie odzwierciedlają wpływów zewnętrznych, a jedynie są przez nie pobudzane, a człowiek nie dostrzega obiektywnych wpływów świata zewnętrznego, a jedynie własne stany subiektywne odzwierciedlające aktywność jego zmysłu organy.
Bliski był punkt widzenia H. Helmholtza, który nie odrzucał faktu, że doznania powstają w wyniku oddziaływania przedmiotów na narządy zmysłów, ale uważał, że obrazy mentalne powstające w wyniku tego oddziaływania nie mają nic wspólnego z prawdziwe przedmioty... Na tej podstawie nazwał doznania „symbolami” lub „znakami” zjawisk zewnętrznych, nie uznając ich za obrazy lub reprezentacje tych zjawisk. Uważał, że oddziaływanie pewnego przedmiotu na narząd zmysłu wywołuje w świadomości „znak” lub „symbol” oddziałującego obiektu, ale nie jego obraz. „Dla pewnego podobieństwa z przedstawionym przedmiotem wymagane jest od obrazu ... Jednak od znaku nie jest wymagane żadne podobieństwo do tego, którym jest”.
Łatwo zauważyć, że oba te podejścia prowadzą do następującego stwierdzenia: człowiek nie może postrzegać obiektywnego świata, a jedyną rzeczywistością są subiektywne procesy odzwierciedlające działanie jego zmysłów, które tworzą subiektywnie postrzegane „elementy świata”.
Podobne wnioski posłużyły za podstawę teorii. solipsyzm(od łac. solus - jeden, ipse - siebie), co sprowadzało się do tego, że człowiek może znać tylko siebie i nie ma dowodów na istnienie czegoś innego niż on sam.
Na przeciwnych stanowiskach stoją przedstawiciele nurtu materialistycznego, uznający za możliwe obiektywne odzwierciedlenie świata zewnętrznego. Badanie ewolucji narządów zmysłów przekonująco pokazuje, że w procesie długiego rozwoju historycznego powstały specjalne narządy postrzegania (narządy zmysłów lub receptory), które specjalizowały się w odzwierciedlaniu szczególnych typów obiektywnie istniejących form ruchu materii (lub typów energii): receptory słuchowe, odbijające drgania dźwiękowe; receptory wizualne odbijające określone zakresy fal elektromagnetycznych itp. Badanie ewolucji organizmów pokazuje, że tak naprawdę nie dysponujemy „swoistymi energiami samych narządów zmysłów”, ale konkretnymi narządami, które obiektywnie odzwierciedlają Różne rodzaje energia. Ponadto wysoka specjalizacja różnych narządów zmysłów opiera się nie tylko na cechach strukturalnych obwodowej części analizatora - receptorach, ale również na najwyższej specjalizacji neuronów wchodzących w skład ośrodkowego aparatu nerwowego, które odbierają sygnały odbierane przez obwodowe narządy zmysłów.
Należy zauważyć, że odczucia ludzkie są produktem rozwoju historycznego i dlatego różnią się jakościowo od wrażeń zwierząt. U zwierząt rozwój doznań jest całkowicie ograniczony ich biologicznymi, instynktownymi potrzebami. U wielu zwierząt niektóre rodzaje doznań uderzają swoją subtelnością, jednak przejawy tej doskonale rozwiniętej zdolności odczuwania nie mogą wykraczać poza krąg przedmiotów i ich właściwości, które mają bezpośrednie znaczenie życiowe dla zwierząt tego gatunku. Na przykład pszczoły potrafią znacznie subtelniej odróżnić stężenie cukru w roztworze niż przeciętny człowiek, ale to ogranicza subtelność ich doznań smakowych. Inny przykład: jaszczurka, która jest w stanie usłyszeć lekki szelest pełzającego owada, nie zareaguje w żaden sposób na bardzo głośny dźwięk kamienia o kamień.
U ludzi zdolność wyczuwania nie jest ograniczona potrzebami biologicznymi. Praca stworzyła dla niego nieporównywalnie szerszy zakres potrzeb niż dla zwierząt, a w działaniach zmierzających do ich zaspokojenia zdolności człowieka, w tym zdolność odczuwania, stale się rozwijają. Dlatego człowiek może dużo czuć duża ilość właściwości otaczających go przedmiotów niż zwierzęcia.
1 Ta część opiera się na rozdziałach książki: Psychologia. / Wyd. prof. K.N. Korniłow, prof. AA Smirnowa, prof. B.M. Tepłowa. - Wyd. 3, ks. i dodaj. - M .: Uchpedgiz, 1948.