Zespoły klik neuronalnych urzeczywistnienie mitycznego engramu.

Transkrypt

1 Zespoły klik neuronalnych urzeczywistnienie mitycznego engramu. Zasady rządzące organizacją bieżącej konsolidacji wspomnień: zespoły klik neuronalnych (neural clique assemblies), uniwersalne kody neuronalne.

2 Copyright statement This presentation has been prepared for the meeting of the Students' Neurobiology Club at the Warsaw University, thus for a non-profit activity. Pictures included, modified to various degree, have been copied from the Internet and literature without indicating the original source, which is frequently difficult to trace. Whoever finds his/her rights violated, is kindly requested to notify the author (sknn(et)biol.uw.edu.pl); the questioned picture will be immediately withdrawn. Unlimited use of these slides in teaching is welcomed provided that the users take full responsibility for it.

3 Vade me cum.. 1. Dialog z historią teorie pamięci Hebb a. 2. Warsztat badawczy stosowane metody. 3. Kliki neuronalne odkrycie w hipokampie jednostek kodu pamięciowego. 4. Odwrócenie porządku percepcji hierarchiczna organizacja funkcjonowania zespołów k.n. 5. Pamięć jako wyższa funkcja poznawcza kategorialne zróżnicowanie k.n. 6. Kod neuronalny język którym komunikują się neurony.

4 Dialog z historią Engram pojęcie wprowadzone na początku XX wieku przez niemieckiego badacza Richarda Semon a. Oznacza on, potencjalny, ślad pamięciowy wytworzony w OUN pod wpływem określonych: przeżyć, doświadczeń, bodźców. Miał on stanowić podstawę późniejszego odzyskiwania informacji. Poglądy Karla Lashley a Stanowisko Wildera Penfield a

5 Poglądy Hebb a Za złożone procesy poznawcze tkj. pamięć odpowiadają nie pojedyncze neurony ale rozproszone zespoły kom. współdziałających ze sobą. TEORIA REWERBERACYJNA: engram to samowzbudzającysię prąd bioelektryczny podtrzymywany przez energię chem., krążący w zamkniętym obwodzie pętli rewerberacyjnej. TEORIA SYNAPTYCZNA Modyfikacja własności połączeń synaptycznych.

6 Sylwetki Badaczy Projekt realizowany przez Boston University i East China Normal Univ.: Joe Z. Tsien: ludzka pamięć jest niezwykle skomplikowana, a my jesteśmy dopiero u podnóża góry zajmuje się problematyką uczenia się i pamięci. Remus Osan: w centrum jego zainteresowań znajdują się kody neuronalne Longnian Lin: zajmuje się rejestracją bieżącej aktywności neuronalnej i badaniami nad hipokampem Medical College of Georgia Boston University East China Normal University

7 Warsztat badawczy Uśrednianie pobudzenia populacji neuronów, mierzonego podczas powielanych prób. Rejestracja aktywności pojedynczych neuronów w licznych populacjach (np. 260 CA1 u myszy). Sliding window technique Matrix inversion Algorytmy klasyfikacji wzorców: MDA (multiple discriminantanalysis) PCA (principle component analysis)

8 Co wspominają myszy?

9 Skąd wiemy, że wspominają? Paradygmat warunkowania przestrzennego. Pomiar i porównanie ilości czasu spędzanego przez myszy w dwóch komorach: bezpiecznej i zagrożonej traumatycznymi zdarzeniami: a) przed treningiem: porównywalna ilość czasu spędzana w obydwu komorach b) po treningu: 130+/-6 s z 180 s czasu mierzonego (badano preferencje 14 myszy)

10 Przyjrzyjmy się neuronom Wykres kropkowy zarejestrowanej aktywności 260 neuronów na 0,5 sek. przed wstrząsem, w trakcie jego trwania i do 1 sek. po jego zakończeniu.

11 Zapis aktywności neuronalnej cz.1. Zapisy wykonany przy pomocy MDA: a) Zapis uogólnionych reprezentacji traumatycznych zdarzeń wytworzonych przez 260 komórek CA1 w hipokampie myszy. Trajektorie wzorców aktywności neuronalnej podczas konsolidacji śladu pamięciowego.

12 Zapis aktywności neuronalnej cz.2. b) Zapis monitoringu dynamicznych zmian aktywności grup neuronalnych: w trakcie przeżywania spadku swobodnego i imitacji ataku sowy (szare linie) po doświadczonym wstrząsie, spontaniczne reaktywacje o zbliżonej geometrii i charakterystycznie mniejszej amplitudzie (niebieskie, czerwone, zielone linie)

13 Jednostki kodu pamięci Kliki neuronalne: jednostki funkcjonalne utworzone przez grupy neuronów (kom. CA1) charakteryzujących się podobnym wzorcem odpowiedzi na bodziec i selektywnością. Zorganizowane zespoły klik neuronalnych, tworzą jednostki pamięci kodując poszczególne ślady pamięciowe. Kliki neuronalne można zróżnicować pod względem: Hierarchii: stopnia ogólności kodowanej informacji Typologii: rodzaju kodowanej informacji

14 Struktura hierarchiczna Wielokrotnie, powtarzana analiza MDA z zastosowaniem stopniowego włączania kolejnych elementów jednostki kodu pamięci : Wyjściowy zbiór 40 neuronów niepobudliwych wytwarza zerową moc różnicującą (no discriminating power). Wprowadzenie 10 kom. układu general startle clique umożliwia precyzyjne rozróżnienie okresu odpoczynku (czasu pomiędzy treningami) od sesji wstrząsów. Wprowadzenie 10 kom. układu specific-drop-clique oddziela doświadczenia spadku swobodnego od pozostałych, nierozróżnialnych doświadczeń.

15 Odwrócenie porządku percepcji: Dla każdego zespołu klik neuronalnych odpowiadającego za konsolidację wspomnień charakterystyczna jest wewnętrzna organizacja: od cech ogólnych do cech stopniowo coraz bardziej specyficznych odwrócenie porządku percepcji. (na podstawie hierarchicznej, zespołowej analizy odpowiedzi 757 kom. CA1)

16 Piramida kodowania cech Jednostki kodu pamięciowego badane eksperymentalnie u myszy różnicują się na: 1) the general startle clique 2) sub-generalstartle cliques 3) startle-type-specific cliques 4) startle-context-specific cliques

17 Wewnętrzne zróżnicowanie Odpowiedzi poszczególnych neuronów należących do określonej k. n. są wyraźnie zróżnicowane. Tworzące ją neurony można scharakteryzować wg typów: kom. chwilowego pobudzenia (transient increase) kom. długotrwałego pobudzenia (prolonged increase) kom. chwilowego wyciszenia (transient decrease) kom. długotrwałego wyciszenia (prolonged decrease)

18

19 Grupowa synchronizacja aktywności Prawidłowe funkcjonowanie jednostek pamięci umożliwia synchronizacja aktywności tworzących je neuronów. Dzięki strukturze utworzonej ze wieloelementowych klik neuronalnych mechanizmy pamięci są mniej wrażliwe na śmierć i uszkodzenia pojedynczych kom, procesy neurodegeneracyjne towarzyszące starzeniu oraz choroby układu nerwowego.

20 Co na to matematyka? Koordynująca pracę jednostek pamięci synchronizacja aktywności klik neuronalnych może być przedstawiona w postaci wzoru funkcji matematycznej. Objaśnienie symboli: R wkład np. impulsy przesyłane przez klikę wyższego rzędu (input) w weighting factor h funkcja trójprogowa np. sigmoid t-czas

21 Pamięć jako wyższa funkcja poznawcza Zróżnicowanie kategorialne klik neuronalnych: General startle nueral cliques: kodują wspólne cechy wszystkich doświadczeń traumatycznych, abstrakcyjną wiedzę o niebezpieczeństwie, generalizacje doświadczeń (współpracuje z ciałem migdałowatym). Sub-general startle cliques: identyfikują cechy wspólne wyznaczonego podzbioru sytuacji traumatycznych, kreuje wspomnienia semantyczne (integruje inf. z układu przedsionkowego). Startle-type-specific cliques: kodują cechy różnicujące między sobą poszczególne wydarzenia. Startle-context-specific cliques: zawierają informację o kontekstualnej charakterystyce określonego doświadczenia np. gdzie miało ono miejsce

22 Zasady organizacji kodu pamięciowego I. System pamięciowy składa się z jednostek kodujących zróżnicowanych kategorialnie i hierarchicznie. II. Wew. reprezentacje wspomnień są tworzone dzięki rekreacji (ponownym tworzeniu), silnie determinowanej biologiczną istotnością ich poszczególnych składowych. III. Liczne połączenia między jednostkami pamięci umożliwiają wytworzenie olbrzymiej liczby wzorców aktywności (funkcjonalnych zespołów) potencjalnie nieograniczona pojemność pamięci. IV. Hierarchiczny charakter procesu wydobywania wspomnień oraz procesy skojarzeniowe są podstawą dla pozostałych, wyższych funkcji poznawczych tkj. myślenie abstrakcyjne i generalizacja. Warunkują one zdolności adaptacyjne organizmów.

23 Jeden kod, wiele teorii Teoria kodu częstotliwościowego (rate code theory) Najstarsza z teorii wyjaśniających istotę kodu neuronalnego. Opiera się na średniej liczbie potencjałów czynnościowych wywołanych przez neuron w określonej jednostce czasu. Teoria kodu czasowego (temporal code theory) Inf. kodowana jest zarówno przez pobudzenie, jak i interwały międzypobudzeniowe neuronu. Takie ujęcie umożliwia zakodowanie większej ilości inf. Teoria kodu populacyjnego (population code theory) Inf. jest reprezentowana przez skoordynowaną aktywność dużej liczby neuronów. Wzorce aktywności zmieniające się w czasie i przestrzeni wytwarzane przez grupy jednocześnie wyładowujących się neuronów.

24 Poszukiwania wspólnego języka Próby odszyfrowania kodu neuronalnego: poszukiwanie korelacji pomiędzy zarejestrowanym wzorcem pobudzenia a zmianami behawioralnymi: 1. Edgar Adrian: badania nad wzorcami pobudzenia receptora mięśnia żaby.(16) 2. Komórki miejsca (place cells) wyspecjalizowane komórki w hipokampie.(27-28) 3. Georgopouloset al. : badania nad neuronalną reprezentacją ruchów ramienia. (37) 4. Thompson et al. : badania nad klasycznym warunkowaniem odruchu mrugania. (40-47) 5. Badania nad pamięcią roboczą -aktywność neuronów kory przedczołowej.

25 Droga do zrozumienia Za pomocą metody matrix inversion naukowcom udało się matematycznie przekształcić wzorce aktywności neuronalnej w zapis kodu binarnego o właściwościach: 1 stan aktywności neuronu 0 stan dezaktywacji

26 Przekształcenie wzorców aktywności neuronalnej w kod binarny Binarny zapis aktywności neuronalnej, opatrzony odpowiednim opisem, stanowi materiał umożliwiający precyzyjne przewidywanie zachowań organizmu. W analizie międzygatunkowej przypuszczalnie powtarzalne będą cyfry przedstawiające aktywność jednostek najbardziej uogólnionego kodowania. Wraz ze specyfikacją kodowanych własności wzrastać będzie stopniem różnorodność zapisu binarnego/ indywidualnych doświadczeń.

27 Własności kodu neuronalnego 1) Kod neuronalny nie podlega dziedziczeniu, powstaje w wyniku powtarzalnej aktywacji neuronów (wyjątkiem są kody neuronalne wegetatywnych funkcji organizmu). 2) Charakteryzuje się dynamiką i wysokim poziomem samoorganizacji. 3) Poszczególne osobniki różnią się między sobą liczbą i stopniem rozbudowania wykształconych kodów neuronalnych w zależności od bogactwa doświadczeń. 4) Jest strukturą plastyczną.

28 Bibliografia Organizing principles of real-time memory encoding: neuralcliqueassembliesand universal neural codes. TRENDS in Neurosciences Vol.29 No.1 January 2006 Logowanie do mózgu Świat nauki 2008/12 (208) Neurobiologia. Krótkie wykłady. Alan Longstaff Internet