Nerveimpulser: nøkkelen til å forstå hjernen

Et av de største, relativt lite verdsatte, funnene i hele vitenskapen var oppdagelsen av nerveimpulsen på 1930-tallet av den britiske lord Adrian. Adrian vant en nobelpris for sin oppdagelse i 1932, men forskere undervurderte dens implikasjoner, som går ut over det faktum at fire senere nobelpriser ble delt ut for arbeid basert på Adrians oppdagelse. Dette inkluderte funn av natrium- og kaliumionstrøm under impulser, rollen som impulser i frigjøring av nevrotransmittere, og rollen som membranionkanaler i impulsgenerering og andre messenger kaskader.

Som mange funn i vitenskapen, kunne ikke denne blitt gjort uten teknologiske fremskritt. Tidlige studier med dårligere teknologi hadde et veldig dårlig signal / støy-forhold (ikke den tykke elektriske støyen i illustrasjonen). Store forbedringer i dette forholdet oppnås med dagens teknologi og intracellulær opptak. På Adrians tid var det viktige fremskritt utviklingen av kapillærelektrometeret, som muliggjorde påvisning av veldig små elektriske pulser i størrelsesorden en millisekunders varighet. Denne instrumenteringen var rå og langt dårligere enn senere fremskritt som oscilloskop og dataskjermer. Før Adrian brukte elektrometeret, visste forskere generelt at perifere nerver genererte et slags elektrisk signal, men ingenting ble kjent om signalets natur hos individet nevroner.

Nervene inneholder fibre fra hundrevis av nevroner som produserer en oppsummert, relativt lang varighet og stor bølge som sprer seg nedover nerven. Ingen visste hvordan de individuelle nervefibrene bidro til dette sammensatte signalet. Adrian svarte på dette spørsmålet ved kjedelig mikrodisseksjon av nerver i deres individuelle fibre og registrerte stimulus-fremkalte svar i en enkelt fiber. Det Adrian så var at responsen var en serie spenningsimpulser, hver om lag et millisekund lang, alle med samme amplitude i en gitt fiber. Ti år senere muliggjorde utviklingen av mikroelektroder bekreftelse av Adrians oppdagelse i nevroner i hjernen.

Dette ga bevis for den grunnleggende likheten og forskjellen mellom hjerner og den senere utviklingen av datamaskiner. Både datamaskiner og hjerner konverterer den virkelige verden til representasjoner. På datamaskiner blir informasjon kodet, i form av 1s og 0s, og som nerveimpulser i hjerner. Både datamaskiner og hjerner distribuerer og behandler denne representert informasjonen, og kan lagre den som minner. Men fordi hjerner er biologiske og bruker impulser for å representere informasjon, kan de endre kretsløp og kan selvprogrammere. I motsetning til datamaskiner, har hjerner også vilje, inkludert en sannsynlig grad av fri vilje.

Hjerner har iøynefallende funksjonelle tilstander, alt fra intens bevissthet konsentrasjon til døsighet, å sove, koma, til døden. Nevrisk elektrisk aktivitet korrelerer på en systematisk måte med disse tilstandsendringene. Det mest iøynefallende av disse aktivitetstiltakene er når det gjelder skyting av nerveimpulser og de ekstracellulære ionestrømmene de skaper ved synapser, kjent som feltpotensialer. Når disse feltpotensialene når hodebunnen, produserer de signalet vi kaller et elektroencefalogram. Feltpotensialer er teknologisk lettere å registrere enn individuelle nerveimpulser, men mer tvetydig å tolke på grunn av den romlige summasjonen av spenninger fra hundrevis av heterogene nevroner.

De opprinnelige funn av nerveimpulser var at frekvensen av impulsfyring styrte virkningen på nevronale mål, enten det er muskler eller andre nevroner. Ulike laboratorier, inkludert mine egne, på 1980-tallet, oppdaget at intervallene mellom impulser også inneholdt deres egen type informasjon. For eksempel rapporterte laboratoriet mitt at noen nevroner inneholdt statistisk signifikant seriell rekkefølge av impulsintervaller i en neurons impulsstrøm. Intervallene, i det minste i hjerneområder på høyere nivå, er ikke tilfeldige. De er serielt avhengige, som om de inneholdt en melding. Hvis du er kjent med Markov-overgangssannsynlighet, kan du forstå vårt funn at serielle avhengigheter eksisterer i så mange som fem påfølgende intervaller (Sherry et al. 1982). Dette førte til at vi antydet "byte-prosessering" som et grunnleggende trekk ved neuronal informasjonsbehandling. Dette synet har ikke kommet på, og de fleste synes fortsatt å tro at skytefrekvensen er den grunnleggende til tross for den veletablerte tidsmessige summeringen som oppstår når impulser ankommer synapser. Bernard Katz demonstrerte tidsmessig summering av impulseffekter i nevromuskulære veikryss i 1951, og senere bekreftet J.P. Segundo og kolleger det i nevronale synapser (Segundo et al., 1963).

Det skal ikke være overraskende at det er serielle avhengigheter i impulsintervaller. For eksempel avslørte intracellulær registrering av postsynaptiske potensialer at polarisasjonsendringen forårsaket av en enkelt impulsinngang forfaller i løpet av noen få millisekunder. Imidlertid tillater en rekke med nært anlagte impulsinnganger polarisasjonsendringene å summere.

I disse dager må vekt legges på impulsaktivitet i definerte kretsløp. Alle nevroner er koblet i en eller flere kretsløp, og impulstoget i et hvilket som helst nevron er bare en liten del av aktiviteten over hele kretsen. Funksjonen til en gitt krets avhenger av kretsimpulsmønsteret (CIP) til hele kretsen. Forskere har utviklet mikroelektroder som tillater registrering av impulstog fra enkeltneuroner, men problemet er å implantere en serie elektroder slik at hver enkelt overvåker aktiviteten til et valgt nevron i en definert.

Jeg tror at forskning bør fokusere på CIP-er og faseforholdene til elektrisk aktivitet blant kortikale kretsløp, både innenfor og mellom kortikale søyler (Klemm, 2011). Nerveimpulser må være kjernen i bevisstheten, for så vidt impulser inneholder hjernens representasjon av informasjon og skaper de synaptiske feltpotensialene.

Vi vet fra overvåking av kjente anatomiske veier for spesifikke sensasjoner at hjernen skaper en CIP-representasjon av stimuli. Så lenge CIP-er forblir aktive, er representasjonen av sensasjon eller nevrale prosessering er intakt og kan til og med være tilgjengelig for bevissthet. Imidlertid, hvis noe forstyrrer pågående CIP-er for å lage et annet sett med CIP-er, som for eksempel ville skjedd med en annen stimulans, forsvinner den opprinnelige representasjonen. Hvis de originale CIP-ene vedvarer lenge nok, a hukommelse kunne dannes, men ellers vil informasjonen gå tapt. Betydningen for minnedannelse er at den umiddelbare perioden etter læring må beskyttes mot nye innganger for å holde CIP-representasjonen av læringen intakt lenge nok til å danne en mer varig hukommelse.

Mye aktuell forskning viser at bevisst bevissthet korrelerer med graden av synkroni og tidslåsing av CIP-er i forskjellige regioner og innenfor regioner av cortex. Bevisene kommer fra elektroencefalografisk overvåking av oscillerende feltpotensialer i et gitt område. Dette er spenningsbølger som forekommer i flere frekvensbånd. Faseforhold mellom spenningsbølger fra forskjellige kretsløp reflekterer sikkert tidspunktet for impulsutladningene som skaper disse feltene. Jeg oppsummerte bevisene for dyreforskning for dette synet i min første bok, for rundt 50 år siden (Klemm, 1969). Avhengig av stimulansens art og mentale tilstand, kan disse svingningene i forskjellige kretsløp pirre i forhold til hverandre eller bli tidslåst. Den funksjonelle konsekvensen av synkroni må være betydelig, og mange andre, og jeg foreslår at dette er et grunnleggende aspekt av bevisstheten. Korrelasjonen mellom frekvenskoherenser og bevissthetstilstander er tydelig. Frekvens koherens reflekterer en "binding" av nevroner i koblet og delt elektrokjemisk aktivitet, men hvordan dette forholder seg til bevisst bevissthet vil kreve en neste stor oppdagelse i vitenskapen.