Hałas synaptyczny

Szum synaptyczny odnosi się do ciągłego bombardowania aktywnością synaptyczną w neuronach . Dzieje się tak w tle komórki, gdy potencjały są wytwarzane bez stymulacji nerwów przez potencjał czynnościowy i wynikają z z natury losowej natury synaps. Te przypadkowe potencjały mają podobne przebiegi czasowe jak pobudzające potencjały postsynaptyczne (EPSP) i hamujące potencjały postsynaptyczne (IPSP), ale prowadzą do zmiennych odpowiedzi neuronalnych. Zmienność wynika z różnic w czasach rozładowania potencjałów czynnościowych.

Powoduje

W komórkach występuje wiele rodzajów szumu. Po pierwsze, istnieje szum wewnętrzny i szum zewnętrzny, czyli synaptyczny. W ramach każdej kategorii istnieją dwa dalsze podziały szumu – szum napięciowy lub szum czasowy. Wewnętrzny szum napięciowy jest spowodowany przypadkowymi zmianami potencjału błonowego komórki, a wewnętrzny szum czasowy jest spowodowany zmianami w czasie generowania impulsów. W poniższych sekcjach wyjaśniono przyczyny szumu synaptycznego.

Uwolnienie kwantowe

Zarówno napięcie synaptyczne, jak i szum czasowy wynikają z prawdopodobieństwa związanego z uwolnieniem przekaźnika. W potencjale czynnościowym kanały wapniowe są otwierane przez depolaryzację i uwalniają Ca ²⁺ jony do komórki presynaptycznej. Powoduje to, że neuroprzekaźniki, które są przechowywane w pęcherzykach, są uwalniane do synapsy. Pęcherzyki uwalniane są w postaci kwantów – pakietów zawierających około 7000 cząsteczek przekaźników. Prawdopodobieństwu uwolnienia kwantów przypisuje się prawdopodobieństwo, które wzrasta, gdy potencjał czynnościowy dociera do zakończeń synaptycznych i stopniowo maleje do niższej, spoczynkowej wartości. Dlatego niepewność związana z dokładnym czasem uwolnienia neuroprzekaźnika jest przyczyną czasowego szumu synaptycznego. Ponadto siła odpowiedzi postsynaptycznej różni się w zależności od liczby uwolnionych kwantów. Uwolnienie kwantowe powoduje niespójną siłę i czas odpowiedzi, co jest przyczyną szumu napięcia synaptycznego.

Aktywność w tle

Inną przyczyną szumu jest egzocytoza neuroprzekaźników z zakończeń synaptycznych, które dostarczają dane wejściowe do danego neuronu. Zjawisko to ma miejsce w tle, gdy komórka znajduje się w spoczynkowym potencjale błonowym . Ponieważ dzieje się to w tle, uwolnienie nie jest spowodowane sygnałem, ale jest losowe. Ta nieprzewidywalność zwiększa poziom szumu synaptycznego.

Szum synaptyczny objawia się jako miniaturowy prąd postsynaptyczny, który obserwuje się bez żadnego wejścia presynaptycznego. Te spontaniczne prądy są spowodowane losowo uwalnianymi pęcherzykami neuroprzekaźników. Jest to spowodowane stochastycznym „otwieraniem wewnątrzkomórkowych zapasów Ca ²⁺ , szumem synaptycznego kanału Ca ²⁺ , spontanicznym wyzwalaniem szlaku uwalniania pęcherzyków lub spontanicznym łączeniem się pęcherzyka z błoną”.

Wykrywanie chemiczne

Termodynamika wpływa na odczuwanie chemiczne, takie jak smak i węch, które opierają się na zewnętrznym bodźcu chemicznym . Cząsteczki chemiczne docierają do odpowiedniego receptora w przypadkowych momentach w oparciu o szybkość dyfuzji tych cząstek. Ponadto receptory nie mogą dokładnie policzyć liczby cząsteczek sygnałowych, które przez nie przechodzą. Te dwa czynniki są dodatkowymi przyczynami szumu synaptycznego.

Jak OUN radzi sobie z hałasem

Centralny układ nerwowy (OUN) radzi sobie z hałasem na dwa sposoby – uśredniając i uprzedniej wiedzy.

Uśrednianie

Uśrednianie ma miejsce, gdy nadmiarowe informacje są przekazywane do wejścia sensorycznego lub generowane przez sam OUN. Kiedy kilka jednostek przetwarzania komórkowego przenosi ten sam sygnał, ale wpływają na nie różne źródła szumu, uśrednianie może przeciwdziałać szumowi. Zjawisko to można zaobserwować, gdy bodźce sensoryczne współpracują ze sobą lub nakładają się na siebie, dzięki czemu mogą przyjąć średnią przychodzących sygnałów i losowych bodźców.

Uśrednianie jest również widoczne w rozbieżnych synapsach, gdzie jeden sygnał dostarcza dane wejściowe do wielu neuronów. Korzystne może być wielokrotne wysyłanie sygnału przez wiele aksonów i łączenie informacji na końcu, zamiast wysyłania sygnału raz przez pojedynczy, długi, hałaśliwy neuron. Oznacza to, że aby zachować wierność sygnału, sygnał początkowy musi być niezawodny. W miejscu docelowym sygnały są uśredniane, a szumy mogą być kompensowane.

Wcześniejsza wiedza

Wcześniejsza wiedza jest również wykorzystywana w obliczu hałasu. W neuronach czuciowych, które odbierają nadmiarowe i ustrukturyzowane sygnały, przetwarzanie sensoryczne może odróżnić sygnał od szumu. Zjawisko to jest znane jako dopasowanego filtra , dzięki której neuron może wykorzystać wcześniejsze doświadczenia dotyczące oczekiwanego sygnału wejściowego, aby odróżnić szum od rzeczywistego sygnału, aw konsekwencji zmniejszyć wpływ szumu.

W hipokampie

Znaczenie szumu synaptycznego stało się jasne dzięki ciągłym badaniom mózgu, w szczególności hipokampa . Hipokamp jest obszarem przodomózgowia w przyśrodkowym płacie skroniowym ściśle związanym z tworzeniem pamięci i przypominaniem. Gamma i teta oscylacje, wyzwalane podczas czynności eksploracyjnych, tworzą modulowane rytmy, które przekształcają się w przedłużone pobudzenie, a następnie we wspomnienia lub niewłaściwe wzmocnienie. Oscylacje te mogą częściowo składać się z prądów synaptycznych lub szumu synaptycznego. Istnieją niedawne dowody potwierdzające rolę szumu synaptycznego w funkcjach sygnałowych w hipokampie, a zatem we wspomnieniach, czy to zestalających się, czy zakłócających.

To skupienie jest w dużej mierze zależne od rezonansu stochastycznego. Z godnych uwagi badań przeprowadzonych przez Stacey i Duranda, szum synaptyczny został uznany za lepsze wykrywanie słabych lub dystalnych wejść synaptycznych w hipokampie. Korzystając z modelu komputerowego, symulowano prądy podprogowe w CA3 , które bezpośrednio korelowały ze zwiększoną aktywnością potencjału czynnościowego CA1 po wprowadzeniu małych prądów. Jest to przykład powszechnie odrzucanego naturalnego zjawiska, które tłumi ważne sygnały, które można teraz badać i wykorzystywać do celów terapeutycznych, aby wspomóc plastyczność neuronów.

Częste urazy w okolicy hipokampa mogą powodować schizofrenię , epilepsję , chorobę Parkinsona i Alzheimera choroby. Szum synaptyczny może być częścią rozwoju tych chorób, jednak nie przeprowadzono wystarczających badań. Możliwym znaczeniem jest niezdolność szumu synaptycznego do precyzyjnego dostrojenia lub uregulowania prawidłowego podsumowania w wiadomości. Jeśli słabych sygnałów nie można wzmocnić istniejącym szumem, plastyczność synaptyczna jest zagrożona, a pamięć i osobowość zostaną naruszone. Badania Stacey i Duranda pomogły ukształtować ten nowy kierunek w analizie i rozwoju farmaceutycznym w celu zwalczania chorób hipokampa.

W neuronach czuciowych

Sygnały i szumy w receptorach czuciowych , które umożliwiają organizmom kodowanie informacji na podstawie ich zmysłów, wyznaczają granicę danego wrażenia. Często konieczne jest wzmocnienie słabego sygnału, aby był użyteczny. Aby wzmocnienie pomogło, sygnał w synapsie musi być bardziej zintensyfikowany niż szum.

Na przykład wzmocnienie jest potrzebne, gdy pojedynczy foton światła uderza w fotoreceptor prętowy w siatkówce oka. Wzmocnienie pozwala małemu bodźcowi przezwyciężyć szum, który jest nieodłączną cechą komórki. Jednak zwiększenie bodźca zwiększa również hałas. Zjawisko to doprowadziło do pytania, w jaki sposób receptory czuciowe mogą skutecznie obniżać szum synaptyczny, jednocześnie wzmacniając sygnał, aby osiągnąć próg.

Czułość neuronu wzrasta, gdy informacje z wielu receptorów są gromadzone i integrowane – zdarzenie to nazywa się łączeniem. Chociaż pozwala to komórce skupić się głównie na działaniach, które są bezpośrednio związane z bodźcem, łączy to również szum, który zwiększa ogólną ilość szumu obecnego w systemie.

Wydajność neuronu czuciowego można jeszcze bardziej zwiększyć, jeśli szum zostanie wyeliminowany tak wcześnie, jak to możliwe, zanim nastąpi łączenie, poprzez filtrowanie liniowe. Usunięcie szumu na początku ma kluczowe znaczenie, ponieważ gdy połączy się sygnał i szum o podobnych czasach, trudniej jest je rozdzielić. Filtrowanie liniowe polega na usuwaniu szumu o częstotliwościach czasowych, które nie są związane z daną reakcją na bodziec. Usuwa to zdarzenia, które są wolniejsze niż odpowiedź lub nie są związane z danym receptorem.

Implikacje

Jako czynnik negatywny

Hałas w neuronach ma źródło wewnętrzne i zewnętrzne. Może zakłócać aktywność i wpływać na to, jak dobrze neuron może kodować sygnał. Szum obserwuje się jako zmiany potencjału błonowego komórki. Zmiana potencjału powoduje ograniczenie dokładności transmisji neuronu. Ta ograniczona transmisja została nazwana stosunkiem sygnału do szumu . Wraz ze wzrostem poziomu szumów można by założyć obniżony współczynnik, a tym samym zmniejszone sygnały. Zmniejszony sygnał może być szkodliwy dla komórki, jeśli konserwacja neuronów zostanie zakłócona lub, co ważniejsze, utracona zostanie niezbędna odpowiedź hamująca. Hałas ogranicza wierność odpowiedzi neuronu na sygnał lub bodziec. Dokładność sygnału wpłynie na to, jak dobrze wyższe części mózgu lub układ sensoryczny przetwarzają informacje z neuronów.

Jako czynnik pozytywny

Rezonans stochastyczny to termin określający sytuację, w której szum synaptyczny raczej wspomaga, niż utrudnia wykrywanie sygnału. Dzięki rezonansowi stochastycznemu szum synaptyczny może wzmocnić rozpoznawanie sygnałów o potencjale poniżej wartości progowej w nieliniowych systemach wykrywających progi. Jest to ważne w komórkach, które odbierają i integrują tysiące wejść synaptycznych. Komórki te mogą często wymagać wystąpienia wielu zdarzeń synaptycznych w tym samym czasie, aby wytworzyć potencjał czynnościowy, więc potencjał odbierania sygnałów podprogowych jest wysoki. Sygnały z neuronów, które integrują aktywność różnych neuronów, razem wzięte mogą tworzyć kompletny bodziec obrazowy.

Szum umożliwia również neuronom wykrywanie słabych sygnałów wizualnych poprzez przetwarzanie poziomu kontrastu obrazu.

Innym pozytywnym zastosowaniem szumu synaptycznego jest zamrożony szum. Zamrożony szum odnosi się do losowych impulsów prądu o różnych amplitudach, które są przykładane do stałego prądu wejściowego, a następnie utrzymują ten wzór, aby można go było wykorzystać do obserwacji różnic w innych czynnikach. Zamrożony szum pozwala naukowcom ujawnić, czy część odpowiedzi neuronu zależy od danego bodźca, ponieważ inne warunki zakłócające są utrzymywane na stałym poziomie.

Znaczenie fizjologiczne

Hałas synaptyczny został powiązany z oscylacjami o wysokiej częstotliwości (HFO) w mózgu. HFO są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania mózgu, a badania wykazały, że szum synaptyczny może być potencjalnym inicjatorem HFO. HFO między 60-70 Hz zostały zarejestrowane jako normalna aktywność w mózgu przez zapisy EEG ( elektroencefalografia ), jednak częstotliwości w zakresach 100-200 Hz, zwane również zmarszczkami, były związane z padaczką . Zmarszczki nie są jednak całkowicie nienormalne ani regularne. „Zmarszczki zostały użyte do opisania zarówno nieprawidłowej aktywności związanej z ostrymi falami padaczkowymi, jak i normalnych zachowań, takich jak fizjologiczne ostre fale i konsolidacja pamięci”.

Szum synaptyczny jest spowodowany nie tylko masową sygnalizacją z otaczających impulsów neuronalnych, ale także bezpośrednią sygnalizacją w samym neuronie. Podczas epizodów padaczki wyzwalane impulsy mają większą wielkość i częstotliwość niż normalnie. Sygnalizacja przejściowa, a dokładniej szum, może skrócić potencjał spoczynkowy, aby umożliwić szybsze odpalanie neuronów.

Istnieją również dowody potwierdzające fakt, że padaczka może być jedną z przyczyn szumu synaptycznego. Podczas napadu padaczkowego trzeciorzędowe impulsy potencjału czynnościowego występują w neuronach w mózgu. Neurony wyzwalają się losowo i szybko, tworząc efekt konwulsyjny, który pacjent wykazuje podczas napadu. Przed tymi wybuchami następuje wzrost pozakomórkowego potasu w neuronach. „Oczekuje się, że stężenie potasu wzrośnie podczas wyładowań epileptycznych i mamy wstępne dowody z przekrojów brzusznych wystawionych na działanie bikukuliny że potas wzrasta do wartości progowej ~ 9 mM tuż przed wystąpieniem trzeciorzędowych wybuchów.

Obecne badania

Uważa się, że poznanie szumu kanałowego umożliwi pełniejsze zrozumienie szumu synaptycznego. Szum kanałowy to zmienność odpowiedzi neuronalnych, która jest generowana przez losowe bramkowanie kanałów jonowych bramkowanych napięciem, takich jak te dla potasu lub sodu, istotnych składników potencjału czynnościowego. Zaproponowano tę potrzebę wstępną, ponieważ zarówno szum kanałowy, jak i synaptyczny ograniczają niezawodność reakcji na bodźce w neuronach, a także są zależne od napięcia.

Aby zrozumieć przyszłość badań nad szumem synaptycznym, niezbędne byłoby omówienie pracy Alaina Destexhe, belgijskiego lekarza, który dogłębnie zbadał znaczenie szumu synaptycznego w połączeniach neuronalnych. Wykorzystuje technikę dynamicznego mocowania, aby zrozumieć obecność i charakterystykę szumu. Natomiast cęgi bramkowane napięciem zapis konfiguracji, dynamic-clamp pozwala na kontrolę przewodnictwa za pomocą komputera. Tworzony jest model obliczeniowy szumu synaptycznego, który następnie jest wprowadzany do neuronu, symulując szum synaptyczny. Można to wykorzystać do porównania z warunkami in vivo. Destexhe stwierdza, że ​​przyszłe badania można skierować na cztery możliwe sposoby, odzwierciedlając jego badania z dynamicznym zaciskiem. Po pierwsze, korzystne może być zrozumienie kontroli szumu synaptycznego, tak aby można było zastosować modulację szumu na ludziach w celu przekształcenia niereagujących sieci w stan odpowiadający. Następnie konieczne byłoby pełniejsze zrozumienie, w jaki sposób hałas zewnętrzny oddziałuje z wewnętrznymi właściwościami neuronów, aby modele były zgodne z faktami eksperymentalnymi. Istnieje również potrzeba dalszych eksperymentalnych badań metod integracji dendrytycznej i roli szumu synaptycznego, gdy jest on obecny. W końcu znalazł potwierdzenie, że hałas synaptyczny wzmacnia rozdzielczości czasowej w neuronach, jednak nie przeprowadzono eksperymentalnego dowodu w celu dalszego rozwinięcia wcześniejszych badań nad modelowaniem. Dzięki zastosowaniu dynamicznego zacisku te informacje wyjaśniają rolę szumu synaptycznego w mózgu i sposób, w jaki można go wykorzystać w określonych terapiach.

Potrzeba więcej informacji, aby zrozumieć rolę, jaką hałas odgrywa w schizofrenii. Jednak schizofrenicy i ich rodzeństwo, które nie chorują na schizofrenię, wydają się mieć zwiększony poziom szumów w obwodach przetwarzania informacji w korze przedczołowej. Nieprawidłowości w korze przedczołowej mogą powodować niektóre objawy związane ze schizofrenią, takie jak halucynacje słuchowe, stany urojeniowe i wpływ na pamięć roboczą. Wiedza o tym, jak hałas wpływa na sygnalizację w tym obszarze mózgu, na przykład brak możliwości odróżnienia szumu od sygnału, może dostarczyć więcej informacji na temat przyczyn występowania tych nieprawidłowości.

Hałas ma wpływ na funkcjonalne obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego (fMRI). Szum obecny podczas skanowania może wpływać na integralność obrazu, wprowadzając aspekt niepewności poprzez szum. Potrzebne są dalsze badania, aby wiedzieć, czy ten hałas jest konkretnie szumem synaptycznym, czy też jednym z innych typów. Ponadto, aby uczynić fMRI bardziej użytecznym i godnym zaufania, konieczne są badania nad szumem i sposobami jego tłumienia.