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Indícios novos no mistério das pilhas ultra-complicadas do cérebro conhecidas como os neurônios

Os pesquisadores de USC e a Faculdade de Medicina de Technion em Israel descobriram indícios novos no mistério das pilhas ultra-complicadas do cérebro conhecidas como os neurônios.

Seus resultados - aparecendo na introdução deste mês da neurociência da natureza do jornal - contradizem uma ideia extensamente aceitada em relação ao uso “aritmético” dos neurônios à informação de processo.

“É surpreendente que após cem anos de pesquisa moderna da neurociência, nós ainda não conhecemos as funções de processamento da informação básica de um neurônio,” disse mel de Bartlett, um professor adjunto na escola de USC Viterbi da engenharia e o autor de contribuição do artigo de jornal.

“Historicamente, o mais frequentemente sups-se que um neurónio resume suas entradas excitatory linear, significando que a excitação causou por duas entradas A e B ativado junto iguala a soma das excitações causadas por A e por B apresentados separada.”

“Nós mostramos que a pilha viola significativamente essa regra,” Mel dissemos.

A equipe encontrou que a soma da informação dentro de um neurônio individual depende de onde as entradas ocorrem, relativo a se, na superfície da pilha.

Para compreender o trabalho e o significado da equipe de seus resultados, ajuda a conhecer um pouco de mais sobre um neurónio.

Todo o processamento de informação que ocorre no cérebro é controlado por uma Web dos neurônios. Estas pilhas vivas vêm em uma variedade de formas e tamanhos, frequentemente assemelhando-se a árvores ou a arbustos.

Um neurônio recebe a entrada de outros neurônios em milhares de locais - sinapses chamadas - dispersados através de sua superfície. Cada um das sinapses gera uma resposta local pequena da tensão quando é activado.

De acordo com a vista clássica do neurônio, as respostas synaptic fluem abaixo da pilha ramo-como as dendrites, que actuam como cabos elétricos e acumulam no corpo de pilha. Se a resposta total da tensão lá é suficiente, um ponto elétrico está despedido, levado abaixo do axónio da pilha e comunicado às centenas ou aos milhares de outros neurônios.

“A evidência recente sugere que a história não seja bastante que simples, embora,” Mel disse. “Os sinais de entrada podem interagir um com o otro nas dendrites e podem profunda ser transformados em sua maneira ao corpo de pilha.”

“Em particular,” os mel adicionados, “ramos individuais da árvore dendrítico podem, em certas circunstâncias, gerar os pontos locais que amplificam extremamente respostas synaptic localmente dentro da árvore dendrítico.”

A equipe exps para estabelecer a “aritmética” usada pelo neurônio para combinar suas muitas entradas synaptic, focalizando no neurônio pirâmide-dado forma que compo o volume da matéria cinzenta cortical do cérebro.

As experiências foram conduzidas em Haifa, Israel por Alon Polsky, autor principal do papel e o aluno diplomado em Technion, e a Jackie Schiller, autor de contribuição e investigador co-principal.

Usando fatias de tecido de cérebro cortical dos ratos, Polsky e Schiller posicionaram os neurônios piramidais individuais, enchidos lhes com a tintura para finalidades do visualização (as pilhas são de outra maneira transparentes) e, usando os eléctrodos extracelulares, estimularam as pilhas muito perto a seus ramos dendrítico.

Ao gravar a tensão no corpo de pilha, a equipe entregaria os choques através de um ou dois eléctrodos de estimulação dirigidos aos lugar diferentes na árvore dendrítico, por exemplo, ao mesmo ou aos ramos dendrítico diferentes.

Comparariam então a resposta da tensão no corpo de pilha enquanto as duas entradas foram activadas primeiramente separada e então junto.

“A coisa poderosa sobre o método [de Schiller] é que você pode ver onde você está estimulando porque a tintura cresce umas sinapses pouco mais brilhantes é activada onde,” disse os mel, que trabalhou com a equipe remotamente de USC colaborando na análise do projecto e de dados da experiência.

“Você pode dirigir os estímulos aos lugar espaciais muito específicos na pilha e começá-los olhar que lugar da diferença faz. Que o lugar velho do ` da frase dos bens imobiliários, lugar, lugar' guardara verdadeiro para os neurônios também.”

Os dados mostraram que três encenações diferentes poderiam ocorrer quando dois eléctrodos A e B foram usados para estimular o mesmo ramo dendrítico:

• Se a resposta total às duas entradas (os eléctrodos A e B) as quedas abaixo do ponto inicial local do despedimento do ramo, a soma olham lineares - A mais o B.

• Se as duas entradas são apenas fortes bastante que junto cruzam o ponto inicial local, a soma olha superlinear - mais do que A mais o B.

• Se cada entrada individual é forte bastante cruzar por si só o ponto inicial local, a soma é sublinear - menos do que A mais o B.

Os mel explicaram o último ponto desta maneira: “Se dois povos estão tentando construir junto um incêndio e cada um têm um fósforo, o incêndio não é queimadura indo duas vezes tão brilhante ou duas vezes como agradecimentos quentes ao segundo fósforo, uma vez que é começado já com o primeiro. O segundo fósforo é irrelevante.”

Em contraste com a soma das entradas entregadas ao mesmo ramo, os pesquisadores encontraram que a soma das entradas em ramos dendrítico diferentes olhou sempre linear - como a iluminação dois incêndios separados.

Os resultados apoiam um estudo 2003 de modelagens realizado no laboratório do mel, em que e o aluno diplomado Panayiota Poirazi previram que os neurônios piramidais se comportariam desta maneira. Este era o primeiro teste experimental daquelas previsões.

“Assim, nós pensamos agora do neurônio em termos de um modelo da dois-camada,” Mel disse. “A primeira camada de processamento ocorre dentro dos ramos dendrítico separados. Cada ramo adiciona independente acima as entradas a esse ramo, e aplica então suas próprias não-linearidades locais do limiar.”

“Na segunda camada de processamento,” mel adicionados, “os resultados de todos os ramos diferentes são adicionados junto linear no corpo de pilha, onde ajudam a determinar a taxa de despedimento total da pilha.”

Quando os resultados forem prometedores, a equipe está certa que esta não é a palavra final no neurônio piramidal.

“Indubitàvelmente, este é ainda um modelo demasiado simples,” Mel disse. “Mas o modelo da dois-camada é uma descrição melhor, ele parece, do que para supr que o neurônio está combinando simplesmente tudo linear de em toda parte. Aquele não é claramente o que estes dados mostram.”

De acordo com mel, uma complexidade adicional que deve eventualmente ser tratado é que as entradas synaptic que chegam no máximo peça remota do neurônio - chamou o topete apical - podem interagir em maneiras subtis com as entradas que chegam nas dendrites básicas, mais perto do corpo de pilha.

“Nós gostaríamos agora de ver se nós precisamos de estender dentro o modelo da dois-camada a um modelo da três-camada,” Mel dissemos. “Pode-se ser que as dendrites básicas e apicais cada um se comportem como nós temos dito, mas quando interagem um com o otro há uma interacção não-linear adicional que ocorra entre eles.”

O mel sublinha que as regras “aritméticas” ele e seus colegas encontrados nos neurônios piramidais não podem se aplicar a todos os neurônios no cérebro.

“Há outros neurônios que têm formas diferentes, entradas, morfologias e canais do íon,” ele disse. “Pôde haver dúzia respostas diferentes à pergunta, segundo que neurônio você está olhando.”

Quando muito mais trabalho se encontrar adiante, as técnicas de imagem lactente novas, os modelos vivos e os procedimentos de laboratório modernos estão facilitando a tarefa de compreender os neurônios complicados do cérebro um muitos.

Na extremidade, Mel disse, as lições instruídas dos neurônios individuais serão cruciais avançar compreensão dos pesquisadores' do cérebro no conjunto.

“Nós tendemos a ver o cérebro como um computador,” disse. “Se nós queremos figurar para fora como este computador funciona, nós devemos primeiramente saber suas peças separadas funcionam.”