Нейронное обратное распространение ошибки

Эта статья о биологическом процессе. Для компьютерного алгоритма см . Обратное распространение ошибки .

Нейронное обратное распространение — это явление, при котором после того, как потенциал действия нейрона обратного создает всплеск напряжения по аксону (нормальное распространение), другой импульс генерируется из сомы и распространяется к апикальным частям дендритного ствола или дендритов (от которых происходит большая часть нейронного распространения). исходного входного тока). Помимо активного обратного распространения потенциала действия, существует и пассивное электротоническое распространение. Хотя существует достаточно доказательств существования потенциалов обратного распространения действия, функция таких потенциалов действия и степень, в которой они проникают в наиболее дистальные дендриты, остаются весьма спорными.

Механизм

Методы нейронного обратного распространения ошибки. Слева: потенциал действия формируется в аксоне и направляется к соме. Справа: регулярный потенциал действия генерирует эхо, которое распространяется обратно по дендритному дереву .

Когда градуированные возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) деполяризуют сому до порога пика на аксонном холмике , сначала аксон испытывает распространяющийся импульс через электрические свойства его потенциал-управляемых натриевых и потенциал-управляемых калиевых каналов. Потенциал действия сначала возникает в аксоне, поскольку исследования показывают, что натриевые каналы в дендритах имеют более высокий порог, чем каналы на мембране аксона (Rapp et al., 1996). Более того, потенциалзависимые натриевые каналы на дендритных мембранах, имеющие более высокий порог, помогают предотвратить запуск ими потенциала действия от синаптического входа. Вместо этого, только когда сома достаточно деполяризуется в результате накопления градуированных потенциалов и активации аксонального потенциала действия, эти каналы активируются для распространения сигнала, идущего в обратном направлении (Rapp et al. 1996). Как правило, ВПСП в результате синаптической активации недостаточно велики, чтобы активировать дендритные потенциалзависимые кальциевые каналы (обычно порядка пары миллиампер каждый), поэтому обычно считается, что обратное распространение происходит только тогда, когда клетка активируется для запуска потенциала действия. Эти натриевые каналы на дендритах имеются в большом количестве в определенных типах нейронов, особенно в митральных и пирамидных клетках, и быстро инактивируются. Первоначально считалось, что потенциал действия может перемещаться по аксону только в одном направлении (к окончанию аксона, где он в конечном итоге сигнализирует о высвобождении нейромедиаторов). Однако недавние исследования предоставили доказательства существования потенциалов действия, распространяющихся в обратном направлении (Staley 2004).

На этой диаграмме показано, как возникает всплеск дендритного напряжения после деполяризации аксона и сомы.

Чтобы уточнить, нейронное обратное распространение ошибки может происходить одним из двух способов. Во-первых, во время инициации аксонального потенциала действия тело клетки, или сома, также может стать деполяризованным. Эта деполяризация может распространиться по телу клетки к дендритному дереву , где есть потенциалзависимые натриевые каналы. Деполяризация этих потенциалзависимых натриевых каналов может затем привести к распространению дендритного потенциала действия. Такое обратное распространение иногда называют эхом потенциала действия, распространяющегося вперед (Staley 2004). Также было показано, что потенциал действия, возникающий в аксоне, может создать ретроградный сигнал, идущий в противоположном направлении (Hausser 2000). Этот импульс перемещается вверх по аксону, в конечном итоге вызывая деполяризацию тела клетки, тем самым запуская дендритные потенциалзависимые кальциевые каналы. Как описано в первом процессе, запуск дендритных потенциалзависимых кальциевых каналов приводит к распространению дендритного потенциала действия.

Важно отметить, что сила потенциалов обратного распространения сильно различается между разными типами нейронов (Hausser 2000). Некоторые типы нейрональных клеток практически не демонстрируют уменьшения амплитуды потенциалов действия по мере их проникновения и прохождения через дендритное дерево, в то время как другие типы нейрональных клеток, такие как нейроны Пуркинье мозжечка , демонстрируют очень незначительное обратное распространение потенциала действия (Stuart 1997). Кроме того, существуют другие типы нейрональных клеток, которые демонстрируют различную степень уменьшения амплитуды во время обратного распространения ошибки. Считается, что это связано с тем, что каждый тип нейрональных клеток содержит различное количество потенциалзависимых каналов, необходимых для распространения дендритного потенциала действия.

Регулирование и ингибирование

Обычно синаптические сигналы, принимаемые дендритом, объединяются в соме для генерации потенциала действия, который затем передается по аксону к следующему синаптическому контакту. Таким образом, обратное распространение потенциалов действия представляет угрозу возникновения неконтролируемой петли положительной обратной связи между сомой и дендритами. Например, при срабатывании потенциала действия его дендритное эхо может проникнуть в дендрит и потенциально вызвать второй потенциал действия. Если ничего не остановить, будет создан бесконечный цикл потенциалов действия, запускаемых собственным эхом. Чтобы предотвратить такой цикл, большинство нейронов имеют относительно высокую плотность K+-каналов А-типа .

K+-каналы А-типа относятся к суперсемейству потенциалзависимых ионных каналов и представляют собой трансмембранные каналы, которые помогают поддерживать мембранный потенциал клетки (Cai 2007). Как правило, они играют решающую роль в возвращении клетки к ее мембране покоя после потенциала действия, позволяя тормозящему току ионов K+ быстро вытекать из нейрона. Присутствие этих каналов в такой высокой плотности в дендритах объясняет их неспособность инициировать потенциал действия даже во время синаптического входа. Кроме того, наличие этих каналов обеспечивает механизм, с помощью которого нейрон может подавлять и регулировать обратное распространение потенциалов действия через дендрит (Vetter 2000). Фармакологические антагонисты этих каналов повышают частоту потенциалов обратного распространения действия, что демонстрирует их важность в предотвращении чрезмерного возбуждения клетки (Waters et al., 2004). Результаты показали линейное увеличение плотности каналов А-типа с увеличением расстояния до дендрита от сомы. Увеличение плотности каналов А-типа приводит к ослаблению потенциала обратного распространения по мере его продвижения в дендрит. По сути, торможение происходит потому, что каналы А-типа облегчают отток ионов K+, чтобы поддерживать мембранный потенциал ниже порогового уровня (Cai 2007). Такое торможение ограничивает ВПСП и защищает нейрон от попадания в бесконечную петлю положительной-положительной обратной связи между сомой и дендритами.

История

С 1950-х годов существуют доказательства того, что нейроны в центральной нервной системе генерируют потенциал действия или всплеск напряжения, который проходит как через аксон, чтобы подать сигнал следующему нейрону, так и обратно распространяется через дендриты , посылая ретроградный сигнал к его пресинаптическим сигнальным нейронам. Этот ток значительно затухает с увеличением длины путешествия вдоль дендритов, поэтому прогнозируется, что эффекты будут более значимыми для нейронов, синапсы которых расположены вблизи тела постсинаптической клетки, причем величина зависит главным образом от плотности натриевых каналов в дендритах. Это также зависит от формы дендритного дерева и, что более важно, от скорости прохождения сигналов к нейрону. В среднем импульс обратного распространения теряет около половины своего напряжения после прохождения почти 500 микрометров.

Обратное распространение происходит активно в неокортексе , гиппокампе , черной субстанции и спинном мозге , тогда как в мозжечке оно происходит относительно пассивно. Это согласуется с наблюдениями о том, что синаптическая пластичность гораздо более выражена в таких областях, как гиппокамп, который контролирует пространственную память, чем в мозжечке, который контролирует больше бессознательных и вегетативных функций.

Обратный ток также вызывает изменение напряжения, которое увеличивает концентрацию Ca. ²⁺ в дендритах, что совпадает с некоторыми моделями синаптической пластичности. Это изменение также влияет на будущую интеграцию сигналов, приводя, по крайней мере, к краткосрочной разнице в реакции между пресинаптическими сигналами и постсинаптическим спайком.

Функции

Хотя на многие вопросы, касающиеся обратного нейронного распространения ошибки, еще предстоит ответить, существует ряд гипотез относительно его функции. Некоторые предполагаемые функции включают участие в синаптической пластичности , участие в дендродендритическом торможении, усилении синаптических ответов , сбросе мембранного потенциала, ретроградных действиях в синапсах и условном выходе аксонов.Считается, что обратное распространение помогает формировать LTP (долговременное потенциирование) и пластичность Хебба в синапсах гиппокампа. Поскольку искусственная индукция ДП с использованием микроэлектродной стимуляции, фиксации напряжения и т. д. требует легкой деполяризации постсинаптической клетки при активации ВПСП, обратное распространение может служить средством деполяризации постсинаптической клетки.

Потенциалы обратного распространения действия могут вызывать долговременную потенциацию, действуя как сигнал, информирующий пресинаптическую клетку о том, что постсинаптическая клетка сработала. Более того, пластичность, зависящая от времени спайка, известна как узкий временной интервал, в течение которого случайное срабатывание как пре-, так и постсинаптических нейронов будет вызывать пластичность. В этом окне происходит нейронное обратное распространение, которое взаимодействует с NMDA-рецепторами в апикальных дендритах, способствуя удалению чувствительного к напряжению блока Mg2+ (Waters et al., 2004). Этот процесс обеспечивает большой приток кальция, который провоцирует каскад событий, вызывающих потенцирование.

Текущая литература также предполагает, что потенциалы действия обратного распространения также ответственны за высвобождение ретроградных нейротрансмиттеров и трофических факторов, которые способствуют краткосрочной и долгосрочной эффективности между двумя нейронами. Поскольку потенциалы обратного распространения действия, по сути, представляют собой копию паттерна активации аксонов нейронов, они помогают установить синхронизацию между пре- и постсинаптическими нейронами (Waters et al., 2004).

Важно отметить, что потенциалы обратного распространения необходимы для высвобождения нейротрофического фактора мозга ( BDNF ). BDNF является важным компонентом для индукции синаптической пластичности и развития (Кучевски Н., Порчер С., Ферран Н., 2008). Более того, было показано, что потенциалы обратного распространения действия индуцируют BDNF-зависимое фосфорилирование белка, связывающего элементы ответа циклического АМФ (CREB), который, как известно, является основным компонентом синаптической пластичности и формирования памяти (Кучевски Н., Порчер С., Лессманн В. . и др., 2008).

Алгоритм

Хотя потенциал действия обратного распространения, по-видимому, может вызывать изменения веса пресинаптических связей, не существует простого механизма распространения сигнала ошибки через несколько слоев нейронов, как в компьютерном алгоритме обратного распространения ошибки . Однако простые линейные топологии показали, что эффективные вычисления возможны за счет обратного распространения сигнала в этом биологическом смысле.

Ссылки

• Бужаки, Г; Кандель, А (1998). «Сомадендритное обратное распространение потенциалов действия в кортикальных пирамидных клетках бодрствующей крысы». Журнал нейрофизиологии . 79 (3): 1587–91. дои : 10.1152/jn.1998.79.3.1587 . ПМИД   9497436 .
• Рапп, М; Яром, Ю; Сегев, I (октябрь 1996 г.). «Моделирование потенциала обратного распространения действия в слабовозбудимых дендритах неокортикальных пирамидных клеток» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 93 (21): 11985–11990. Бибкод : 1996PNAS...9311985R . дои : 10.1073/pnas.93.21.11985 . ПМК   38170 . ПМИД   8876249 .
• Вода, Дж; Шефер, А; Сакманн, Б. (сентябрь 2004 г.). «Потенциалы обратного распространения действия в нейронах: измерение, механизмы и потенциальные функции» . Прогресс биофизики и молекулярной биологии . 87 (1): 145–170. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2004.06.009 . ПМИД   15471594 .
• Кучевский, Н; Порчер, К; Ферран, Н.; и др. (июль 2008 г.). «Потенциалы обратного распространения действия запускают дендритное высвобождение BDNF во время спонтанной сетевой активности» . Журнал неврологии . 28 (27): 7013–7023. doi : 10.1523/JNEUROSCI.1673-08.2008 . ПМК   6670985 . ПМИД   18596175 .
• Кучевский, Н; Порчер, К; Лессманн, В; и др. (октябрь 2008 г.). «Потенциал действия обратного распространения» . Коммуникативная и интегративная биология . 1 (2): 153–155. дои : 10.4161/cib.1.2.7058 . ПМК   2686006 . ПМИД   19704877 .

• Берешполова Ю.; Амитай, Ю; Гусев, А.Г.; Стельзель, ЧР; Свадлоу, ХА (август 2007 г.). «Дендритное обратное распространение и состояние бодрствующего неокортекса» . Дж. Нейроски . 27 (35): 9392–9. doi : 10.1523/JNEUROSCI.2218-07.2007 . ПМК   6673133 . ПМИД   17728452 .
• Рожа, Б; Катона, Г; Касас, А; Шипёк, Р; Визи, ЕС (январь 2008 г.). «Дендритные никотиновые рецепторы модулируют потенциалы обратного распространения действия и долговременную пластичность интернейронов». Eur J Neurosci . 27 (2): 364–77. дои : 10.1111/j.1460-9568.2007.05999.x . ПМИД   18215234 . S2CID   29118109 .
• Уотерс, Дж; Шефер, А; Сакманн, Б. (январь 2005 г.). «Потенциалы обратного распространения действия в нейронах: измерение, механизмы и потенциальные функции» . Прога Биофиз Мол Биол . 87 (1): 145–70. doi : 10.1016/j.pbiomolbio.2004.06.009 . ПМИД   15471594 .
• Бендер, Вирджиния; Фельдман, Делавэр (июль 2006 г.). «Динамический пространственный градиент Хеббианского обучения в дендритах» . Нейрон . 51 (2): 153–5. дои : 10.1016/j.neuron.2006.07.003 . ПМИД   16846850 .
• Мильоре, М; Шепард, генеральный директор (август 2007 г.). «Дендритные потенциалы действия соединяют распределенные дендродендритные микросхемы» . J Вычислительная Неврология . 24 (2): 207–21. дои : 10.1007/s10827-007-0051-9 . ПМЦ   3752904 . ПМИД   17674173 .
• Лоу, Г. (июль 2002 г.). «Ингибирование потенциалов обратного распространения во вторичных дендритах митральных клеток». Дж. Нейрофизиология . 88 (1): 64–85. дои : 10.1152/jn.2002.88.1.64 . ПМИД   12091533 . S2CID   2660187 .
• Кай, С; Ли, В; Сести, Ф (2007). «Множественные режимы регулирования калиевого тока А-типа». Текущий фармацевтический дизайн . 13 (31): 3178–3184. дои : 10.2174/138161207782341286 . ПМИД   18045167 .
• Хауссер, М; и др. (2000). «Разнообразие и динамика дендритной сигнализации». Наука . 290 (5492): 739–744. Бибкод : 2000Sci...290..739H . дои : 10.1126/science.290.5492.739 . ПМИД   11052929 .
• Стейли, К. (2004). «Эпилептические нейроны становятся беспроводными». Наука . 305 (5683): ​​482–483. дои : 10.1126/science.1101133 . ПМИД   15273382 . S2CID   142534849 .
• Стюарт, Дж; и др. (1997). «Инициация и обратное распространение потенциала действия в нейронах ЦНС млекопитающих». Тенденции в нейронауках . 1997 (2): 125–131. дои : 10.1016/s0166-2236(96)10075-8 . ПМИД   9061867 . S2CID   889625 .
• Стюарт, Г. Сакманн Б. (1994). «Активное распространение соматических потенциалов действия в дендриты неокортикальных пирамидных клеток». Природа . 367 (6458): 69–72. Бибкод : 1994Natur.367...69S . дои : 10.1038/367069a0 . ПМИД   8107777 . S2CID   205025149 .
• Веттер П. и др. Распространение потенциала действия в дендритах зависит от морфологии дендритов. Американское общество физиологов , 2000; 926-937