Neuralna propagacja wsteczna - Neural backpropagation

Ten artykuł dotyczy procesu biologicznego. Aby zapoznać się z algorytmem komputerowym, zobacz Backpropagation .

Neuralna propagacja wsteczna to zjawisko, w którym po wytworzeniu przez potencjał czynnościowy neuronu skoku napięcia w dół aksonu (propagacja normalna), z somy generowany jest kolejny impuls, który rozchodzi się w kierunku wierzchołkowych części altany dendrytycznej lub dendrytów (z których pochodziła znaczna część pierwotnego prądu wejściowego). Oprócz aktywnej wstecznej propagacji potencjału czynnościowego występuje również pasywne rozprzestrzenianie się elektrotoniczne . Chociaż istnieje wiele dowodów potwierdzających istnienie wstecznych potencjałów czynnościowych, funkcja takich potencjałów czynnościowych i stopień, w jakim atakują one najbardziej odległe dendryty, pozostają wysoce kontrowersyjne.

Mechanizm

Wizualna reprezentacja dwóch mechanizmów neuronalnej propagacji wstecznej.
Metody neuronowej propagacji wstecznej. Po lewej: potencjał czynnościowy tworzy się w aksonie i wędruje w kierunku somy. Po prawej: Zwykły potencjał czynnościowy generuje echo, które rozchodzi się wstecznie w drzewie dendrytycznym.

Kiedy stopniowane pobudzające potencjały postsynaptyczne (EPSP) depolaryzują somę do progu skoku na wzgórku aksonu , najpierw akson doświadcza propagującego się impulsu poprzez właściwości elektryczne swoich kanałów sodowych i potasowych bramkowanych napięciem. Potencjał czynnościowy pojawia się najpierw w aksonie, ponieważ badania pokazują, że kanały sodowe w dendrytach wykazują wyższy próg niż te na błonie aksonu (Rapp et al., 1996). Co więcej, kanały sodowe bramkowane napięciem na błonach dendrytycznych mające wyższy próg pomagają zapobiegać wyzwalaniu przez nie potencjału czynnościowego z sygnału wejściowego synaptycznego. Zamiast tego, tylko wtedy, gdy soma depolaryzuje się wystarczająco z gromadzenia stopniowanych potencjałów i wyzwalania potencjału czynnościowego aksonów, kanały te zostaną aktywowane, aby rozpropagować sygnał wędrujący wstecz (Rapp et al. 1996). Ogólnie rzecz biorąc, EPSP z aktywacji synaptycznej nie są wystarczająco duże, aby aktywować dendrytyczne kanały wapniowe bramkowane napięciem (zwykle rzędu kilku miliamperów każdy), więc zazwyczaj uważa się, że propagacja wsteczna zachodzi tylko wtedy, gdy komórka jest aktywowana w celu wyzwolenia potencjału czynnościowego. Te kanały sodowe na dendrytach występują obficie w niektórych typach neuronów, zwłaszcza w komórkach mitralnych i piramidalnych, i szybko ulegają dezaktywacji. Początkowo sądzono, że potencjał czynnościowy może przemieszczać się wzdłuż aksonu tylko w jednym kierunku (w kierunku zakończenia aksonu, gdzie ostatecznie sygnalizuje uwolnienie neuroprzekaźników). Jednak ostatnie badania dostarczyły dowodów na istnienie wstecznie rozchodzących się potencjałów czynnościowych (Staley 2004).

Ten diagram pokazuje, w jaki sposób skok napięcia dendrytycznego następuje po depolaryzacji aksonu i somy.

Rozwijając, neuronowa propagacja wsteczna może zachodzić na dwa sposoby. Po pierwsze, podczas inicjacji potencjału czynnościowego aksonów ciało komórki lub soma może również ulec depolaryzacji. Ta depolaryzacja może rozprzestrzenić się przez ciało komórki w kierunku drzewa dendrytycznego, gdzie znajdują się kanały sodowe bramkowane napięciem. Depolaryzacja tych bramkowanych napięciem kanałów sodowych może następnie skutkować propagacją dendrytycznego potencjału czynnościowego. Taka propagacja wsteczna jest czasami określana jako echo potencjału czynnościowego propagacji w przód (Staley 2004). Wykazano również, że potencjał czynnościowy zainicjowany w aksonie może wytworzyć sygnał wsteczny, który przemieszcza się w przeciwnym kierunku (Hausser 2000). Impuls ten wędruje w górę aksonu, ostatecznie powodując depolaryzację ciała komórki, uruchamiając w ten sposób dendrytyczne kanały wapniowe bramkowane napięciem. Jak opisano w pierwszym procesie, wyzwalanie dendrytycznych kanałów wapniowych bramkowanych napięciem prowadzi do propagacji dendrytycznego potencjału czynnościowego.

Należy zauważyć, że siła potencjałów czynnościowych wstecznej propagacji jest bardzo zróżnicowana pomiędzy różnymi typami neuronów (Hausser 2000). Niektóre typy komórek neuronalnych wykazują niewielki lub żaden spadek amplitudy potencjałów czynnościowych, gdy atakują i przemieszczają się przez drzewo dendrytyczne, podczas gdy inne typy komórek neuronalnych, takie jak móżdżkowe neurony Purkinjego , wykazują bardzo małą propagację wsteczną potencjału czynnościowego (Stuart 1997). Dodatkowo istnieją inne typy komórek neuronalnych, które wykazują różne stopnie spadku amplitudy podczas wstecznej propagacji. Uważa się, że jest to spowodowane faktem, że każdy typ komórki neuronalnej zawiera różną liczbę kanałów bramkowanych napięciem wymaganych do propagacji dendrytycznego potencjału czynnościowego.

Regulacja i hamowanie

Ogólnie sygnały synaptyczne odbierane przez dendryty są łączone w somie w celu wygenerowania potencjału czynnościowego, który jest następnie przesyłany w dół aksonu w kierunku następnego kontaktu synaptycznego. Tak więc wsteczna propagacja potencjałów czynnościowych stanowi zagrożenie zainicjowania niekontrolowanej pętli dodatniego sprzężenia zwrotnego między somą a dendrytami. Na przykład, gdy został wyzwolony potencjał czynnościowy, jego dendrytyczne echo może wejść do dendrytu i potencjalnie wyzwolić drugi potencjał czynnościowy. Jeśli pozostawi się to bez kontroli, powstanie niekończący się cykl potencjałów czynnościowych wyzwalanych przez ich własne echo. W celu uniknięcia takiego cyklu większość neuronów mieć stosunkowo wysoką gęstość kanałów typu A K + .

Kanały K+ typu A należą do nadrodziny kanałów jonowych bramkowanych napięciem i są kanałami przezbłonowymi, które pomagają utrzymać potencjał błonowy komórki (Cai 2007). Zazwyczaj odgrywają kluczową rolę w przywracaniu komórki do jej błony spoczynkowej po potencjale czynnościowym, pozwalając hamującemu prądowi jonów K+ na szybki wypływ z neuronu. Obecność tych kanałów w tak dużej gęstości w dendrytach wyjaśnia ich niezdolność do inicjowania potencjału czynnościowego, nawet podczas wejścia synaptycznego. Dodatkowo obecność tych kanałów zapewnia mechanizm, dzięki któremu neuron może tłumić i regulować wsteczną propagację potencjałów czynnościowych przez dendryt (Vetter 2000). Farmakologiczni antagoniści tych kanałów promowali częstotliwość wstecznej propagacji potencjałów czynnościowych, co pokazuje ich znaczenie w utrzymywaniu komórki przed nadmiernym wypalaniem (Waters i wsp., 2004). Wyniki wykazały liniowy wzrost gęstości kanałów typu A wraz ze wzrostem odległości w głąb dendrytu od somy. Wzrost gęstości kanałów typu A powoduje tłumienie potencjału czynnościowego propagacji wstecznej w miarę wchodzenia do dendrytu. Zasadniczo hamowanie występuje, ponieważ kanały typu A ułatwiają odpływ jonów K+ w celu utrzymania potencjału błonowego poniżej poziomów progowych (Cai 2007). Takie hamowanie ogranicza EPSP i chroni neuron przed wejściem w niekończącą się dodatnio-pozytywną pętlę sprzężenia zwrotnego między somą a dendrytami.

Historia

Od lat pięćdziesiątych istnieją dowody na to, że neurony w ośrodkowym układzie nerwowym generują potencjał czynnościowy lub skok napięcia, który przemieszcza się zarówno przez akson, aby zasygnalizować następnemu neuronowi, jak i propaguje wstecznie przez dendryty, wysyłając sygnał wsteczny do swoich presynaptycznych neuronów sygnalizacyjnych. Prąd ten zanika znacząco wraz z długością przemieszczania się wzdłuż dendrytów, więc przewiduje się, że efekty będą bardziej znaczące dla neuronów, których synapsy znajdują się w pobliżu ciała komórki postsynaptycznej, a wielkość zależy głównie od gęstości kanałów sodowych w dendrycie. Zależy również od kształtu drzewa dendrytycznego i, co ważniejsze, od szybkości prądów sygnałowych do neuronu. Przeciętnie skok propagacji wstecznej traci około połowy swojego napięcia po przebyciu prawie 500 mikrometrów.

Propagacja wsteczna zachodzi aktywnie w korze nowej , hipokampie , istocie czarnej i rdzeniu kręgowym , natomiast w móżdżku zachodzi stosunkowo biernie. Jest to zgodne z obserwacjami, że plastyczność synaptyczna jest znacznie bardziej widoczna w obszarach takich jak hipokamp, ​​który kontroluje pamięć przestrzenną, niż móżdżek, który kontroluje więcej funkcji nieświadomych i wegetatywnych.

Prąd propagacji wstecznej powoduje również zmianę napięcia, która zwiększa stężenie Ca 2+ w dendrytach, co jest zbieżne z pewnymi modelami plastyczności synaptycznej. Ta zmiana wpływa również na przyszłą integrację sygnałów, prowadząc do co najmniej krótkoterminowej różnicy odpowiedzi między sygnałami presynaptycznymi i postsynaptycznym impulsem.

Funkcje

Chociaż wiele pytań pozostaje jeszcze bez odpowiedzi w odniesieniu do neuronowej propagacji wstecznej, istnieje wiele hipotez dotyczących jej funkcji. Niektóre proponowane funkcje obejmują zaangażowanie w plastyczność synaptyczną , zaangażowanie w hamowanie dendrodendrytyczne , wzmacnianie odpowiedzi synaptycznych , resetowanie potencjału błonowego, działanie wsteczne w synapsach i warunkową produkcję aksonów. Uważa się, że wsteczna propagacja pomaga w tworzeniu LTP (długotrwałe wzmocnienie) i plastyczności Hebba w synapsach hipokampa. Ponieważ sztuczna indukcja LTP, przy użyciu stymulacji mikroelektrodowej, klamry napięcia itp., wymaga nieznacznej depolaryzacji komórki postsynaptycznej, gdy wywoływane są EPSP, propagacja wsteczna może służyć jako środek depolaryzacji komórki postsynaptycznej.

Potencjały czynnościowe wstecznej propagacji mogą wywoływać długotrwałe wzmocnienie, zachowując się jako sygnał, który informuje komórkę presynaptyczną, że komórka postsynaptyczna została uruchomiona. Co więcej, plastyczność zależna od czasu skoku jest znana jako wąskie ramy czasowe, w których przypadkowe odpalenie neuronów przed- i postsynaptycznych będzie indukować plastyczność. W tym oknie zachodzi neuronowa propagacja wsteczna, aby oddziaływać z receptorami NMDA w dendrytach wierzchołkowych, pomagając w usuwaniu wrażliwego na napięcie bloku Mg2+ (Waters et al., 2004). Proces ten pozwala na duży napływ wapnia, który prowokuje kaskadę zdarzeń powodujących wzmocnienie.

Aktualna literatura sugeruje również, że potencjały czynnościowe wstecznej propagacji są również odpowiedzialne za uwalnianie wstecznych neuroprzekaźników i czynników troficznych, które przyczyniają się do krótko- i długoterminowej skuteczności między dwoma neuronami. Ponieważ potencjały czynnościowe wstecznej propagacji zasadniczo wykazują kopię wzorca odpalania aksonów neuronów, pomagają ustalić synchronizację między neuronami pre- i postsynaptycznymi (Waters et al., 2004).

Co ważne, potencjały czynnościowe wstecznej propagacji są niezbędne do uwolnienia neurotroficznego czynnika pochodzenia mózgowego (BDNF). BDNF jest niezbędnym składnikiem indukowania plastyczności i rozwoju synaptycznego (Kuczewski N., Porcher C., Ferrand N., 2008). Ponadto wykazano, że potencjały czynnościowe wstecznej propagacji indukują zależną od BDNF fosforylację białka wiążącego element cyklicznej odpowiedzi AMP (CREB), o którym wiadomo, że jest głównym składnikiem plastyczności synaptycznej i tworzenia pamięci (Kuczewski N., Porcher C., Lessmann V. ., i in. 2008).

Algorytm

Podczas gdy potencjał czynnościowy propagacji wstecznej może prawdopodobnie powodować zmiany wagi połączeń presynaptycznych, nie ma prostego mechanizmu propagacji sygnału błędu przez wiele warstw neuronów, jak w komputerowym algorytmie propagacji wstecznej. Jednak proste topologie liniowe wykazały, że efektywne obliczenia są możliwe dzięki wstecznej propagacji sygnału w tym biologicznym sensie.

Bibliografia

  1. Buzsáki, G; Kandel, A (1998). „Somadendrytyczna wsteczna propagacja potencjałów czynnościowych w korowych komórkach piramidowych niebudzącego się szczura”. Czasopismo Neurofizjologii . 79 (3): 1587–91. doi : 10.1152/jn.1998.79.3.1587 . PMID  9497436 .

  1. ^ Rap, M; Jarom, Y; Segev, I (październik 1996). „Modelowanie potencjału wstecznego działania propagującego w słabo pobudliwych dendrytach komórek piramidalnych kory nowej” . Materiały Narodowej Akademii Nauk Stanów Zjednoczonych Ameryki . 93 (21): 11985-11990. Kod Bib : 1996PNAS...9311985R . doi : 10.1073/pnas.93.21.11985 . PMC  38170 . PMID  8876249 .
  2. ^ Woda, J; Schäfer, A; Sakmann, B (wrzesień 2004). „Potencjały czynnościowe wstecznej propagacji w neuronach: pomiar, mechanizmy i potencjalne funkcje” . Postęp w Biofizyce i Biologii Molekularnej . 87 (1): 145–170. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2004.06.09 . PMID  15471594 .
  3. ^ Kuczewski N; Porcher, C; Ferrand, N; i in. (lipiec 2008). „Potencjały działania wstecznej propagacji wyzwalają dendrytyczne uwalnianie BDNF podczas spontanicznej aktywności sieciowej” . Dziennik Neuronauki . 28 (27): 7013–7023. doi : 10.1523/JNEUROSCI.1673-08.2008 . PMC  6670985 . PMID  18596175 .
  4. ^ Kuczewski N; Porcher, C; Lessmann, V; i in. (październik 2008). "Potencjał czynnościowy wsteczny do propagacji wstecznej" . Biologia komunikatywna i integracyjna . 1 (2): 153–155. doi : 10.4161/cib.1.2.7058 . PMC  2686006 . PMID  19704877 .