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Indices neufs dans le mystère des cellules ultra-compliquées du cerveau connues sous le nom de neurones

Les chercheurs d'USC et la Faculté de Médecine de Technion en Israël ont découvert des indices neufs dans le mystère des cellules ultra-compliquées du cerveau connues sous le nom de neurones.

Leurs découvertes - apparaissant dans l'édition de ce mois de la neurologie de nature de tourillon - contredisent une idée largement reçue concernant l'utilisation « arithmétique » de neurones aux informations sur le processus.

« Il est étonnant qu'après cents ans de recherche en matière moderne de neurologie, nous ne connaissons toujours pas les fonctionnements de traitement de l'information fondamentaux d'un neurone, » a dit Bartlett Mel, un professeur agrégé dans l'école d'USC Viterbi du bureau d'études et l'auteur de contribution de l'article de tourillon.

« Historiquement, on l'a supposé le plus souvent qu'une cellule du cerveau résume ses entrées excitatoires linéairement, signifiant que l'excitation a entraîné par deux entrées A et B activé ensemble égale le montant d'excitations provoquées par A et B présentés séparé. »

« Nous prouvons que la cellule viole de manière significative que règle, » Mel a dit.

L'équipe a constaté que la conclusion d'information dans un neurone individuel dépend d'où les entrées se produisent, relativement à l'un l'autre, sur la surface de la cellule.

Pour comprendre le travail et la signification de l'équipe de ses découvertes, elle aide à connaître un peu plus au sujet d'une cellule du cerveau.

Tout les traitement des données qui ont lieu dans le cerveau est managé par une âme des neurones. Ces cellules vivantes viennent dans un grand choix de tailles et formes, souvent ressemblant à des arbres ou à des buissons.

Un neurone reçoit l'entrée d'autres neurones aux milliers de sites - synapses appelées - dispersés en travers de sa surface. Chacune des synapses produit d'une petite réaction locale de tension quand il est activé.

Selon la vue classique du neurone, les réactions synaptiques circulent en bas des dendrites succursale succursale des cellules, qui agissent comme les câbles électriques et s'accumulent au corps cellulaire. Si la réaction générale de tension là est suffisante, une pointe électrique est allumée, transportée en bas de l'axone des cellules et communiquée aux centaines ou aux milliers d'autres neurones.

« La preuve récente propose que l'histoire ne soit pas bien que simple, bien que, » Mel a dit. « Les signes d'entrée peuvent agir l'un sur l'autre les uns avec les autres dans les dendrites et peuvent être profondément transformés sur leur chemin au corps cellulaire. »

« En particulier, » Mel a ajouté, les « différentes succursales de l'arbre dendritique peut, dans certaines circonstances, produire des pointes locales qui amplifient grand des réactions synaptiques localement dans l'arbre dendritique. »

L'équipe s'est mise à déterminer la « arithmétique » employée par le neurone pour combiner ses nombreuses entrées synaptiques, se concentrant sur le neurone en forme de pyramide qui compose la partie de la matière grise corticale du cerveau.

Les expériences ont été entreprises à Haïfa, Israël par Alon Polsky, auteur important du papier et l'étudiant de troisième cycle chez Technion, et la Jackie Schiller, auteur de contribution et chercheur Co-principal.

Utilisant des parts de tissu cérébral cortical des rats, Polsky et Schiller ont plac différents neurones pyramidaux, remplis leur de teinture pour la visualisation (les cellules sont autrement transparentes) et, utilisant les électrodes extracellulaires, ont stimulé les cellules très étroitement à leurs succursales dendritiques.

Tout en enregistrant la tension au corps cellulaire, l'équipe fournirait des chocs par un ou deux électrodes stimulantes dirigées vers l'emplacement différent dans l'arbre dendritique, par exemple, vers la même chose ou les différentes succursales dendritiques.

Elles compareraient alors la réaction de tension au corps cellulaire pendant que les deux entrées séparé et puis étaient activées d'abord ensemble.

« La chose puissante au sujet [de la méthode de Schiller] est que vous pouvez voir où vous êtes stimulant parce que la teinture se développe là où des synapses peu plus lumineuses sont activées, » a dit Mel, qui a travaillé avec l'équipe éloigné d'USC à côté de la collaboration sur l'analyse de modèle et de caractéristiques d'expérience.

« Vous pouvez diriger les stimulus vers l'emplacement spatial très spécifique sur la cellule et commencer à regarder quel emplacement de différence effectue. Que le vieil emplacement de ` d'expression d'immeubles, emplacement, emplacement' juge vrai pour des neurones aussi bien. »

Les caractéristiques ont prouvé que trois scénarios différents pourraient se produire quand deux électrodes A et B ont été utilisées pour stimuler la même succursale dendritique :

• Si toute la réaction aux deux entrées (les électrodes A et B) les chutes en dessous du seuil local de l'allumage de la succursale, la conclusion semble linéaire - A plus le B.

• Si les deux entrées sont juste assez intenses qu'ensemble elles franchissent le seuil local, la conclusion semble superlinear - plus qu'A plus le B.

• Si chaque entrée individuelle est assez intense pour franchir le seuil local par lui-même, la conclusion est sublinéaire - moins qu'A plus le B.

Mel a expliqué la dernière remarque de cette façon : « Si deux personnes essayent d'établir un incendie ensemble et elles chacune ont une correspondance, l'incendie n'est pas brûlure allante deux fois aussi lumineuse ou deux fois que grâce chaude à la deuxième correspondance, une fois qu'il déjà est commencé par la première. La deuxième correspondance est inutile. »

Contrairement à la conclusion des entrées fournies à la même succursale, les chercheurs ont constaté que la conclusion des entrées sur différentes succursales dendritiques a toujours semblé linéaire - comme l'éclairage deux incendies indépendants.

Les découvertes supportent une étude 2003 de modélisations effectuée en laboratoire de Mel, dans lequel lui et l'étudiant de troisième cycle Panayiota Poirazi ont prévu que les neurones pyramidaux se comporteraient de cette façon. C'était le premier test expérimental de ces prévisions.

« Ainsi, nous pensons maintenant au neurone en termes de modèle de deux-couche, » Mel a dit. « La première couche de traitement se produit dans les succursales dendritiques indépendantes. Chaque succursale ajoute indépendamment les entrées à cette succursale, et applique alors sa propre non-linéarité locale de seuillage. »

« Dans la deuxième couche de traitement, » Mel a ajouté, « les résultats de toutes les différentes succursales sont ajoutés ensemble linéairement au corps cellulaire, où ils aident à déterminer la cadence du tir générale des cellules. »

Tandis que les résultats sont prometteurs, l'équipe est certaine que ce ne soit pas le mot de la fin sur le neurone pyramidal.

« Assurément, c'est toujours un modèle trop simple, » Mel a dit. « Mais le modèle de deux-couche est une meilleure description, il semble, que pour supposer que le neurone combine simplement tout linéairement de partout. N'est clairement pas ce ce que ces caractéristiques montrent. »

Selon Mel, une complexité complémentaire laquelle doit éventuellement être traité est que les entrées synaptiques obtenant tout au plus pièce distante du neurone - appelé la touffe apicale - peuvent agir l'un sur l'autre des voies subtiles avec des entrées obtenant sur les dendrites basiques, plus près du corps cellulaire.

« Nous voudrions maintenant voir si nous devons étendre le modèle de deux-couche dedans à un modèle de trois-couche, » Mel avons dit. « Il se peut que les dendrites basiques et apicales chacune se comportent comme nous avions dit, mais quand elles agissent l'un sur l'autre les uns avec les autres il y a une interaction non linéaire complémentaire qui se produit entre eux. »

Mel met l'accent sur que les règles « arithmétiques » lui et ses collègues trouvés dans des neurones pyramidaux peuvent ne pas appliquer à tous les neurones dans le cerveau.

« Il y a d'autres neurones qui ont différentes formes, des entrées, des morphologies et des canaux ioniques, » il a dit. « Il pourrait y avoir douzaine réponses différentes à la question, selon quel neurone vous regardez. »

Tandis que beaucoup plus de travail se trouve en avant, les techniques d'imagerie neuves, les modèles réalistes et les procédures de laboratoire modernes facilitent la tâche de comprendre les neurones compliqués du cerveau par sort entier.

En fin de compte, Mel a dit, l'expérience acquise de différents neurones sera essentielle compréhension d'avancer chercheurs' du cerveau dans son ensemble.

« Nous tendons à voir le cerveau comme ordinateur, » il a dit. « Si nous voulons figurer à l'extérieur comment cet ordinateur fonctionne, nous devons d'abord savoir ses pièces indépendantes fonctionnent. »