Synaptiskt brus
Synaptiskt brus hänvisar till det ständiga bombardementet av synaptisk aktivitet i neuroner . Detta inträffar i bakgrunden av en cell när potentialer produceras utan nervstimulering av en aktionspotential och beror på synapsernas inneboende slumpmässiga natur. Dessa slumpmässiga potentialer har liknande tidsförlopp som excitatoriska postsynaptiska potentialer (EPSPs) och hämmande postsynaptiska potentialer (IPSPs), men de leder till varierande neuronala svar. Variabiliteten beror på skillnader i urladdningstiderna för aktionspotentialer.
Orsaker
Många typer av brus finns i celler. För det första finns det inre brus och yttre, eller synaptiskt, brus. Inom varje kategori finns ytterligare två uppdelningar av brus – spänningsbrus eller temporalt brus. Inre spänningsbrus beror på slumpmässiga förändringar i membranpotentialen hos en cell, och intrinsiskt tidsbrus orsakas av variationer i spikgenereringstidpunkten. Följande avsnitt ger förklaringar om orsakerna till synaptiskt brus.
Kvantal release
Både synaptisk spänning och temporalt brus beror på sannolikheten förknippad med sändarens utlösning. I en aktionspotential öppnas kalciumkanaler genom depolarisering och frigör Ca 2+ -joner i den presynaptiska cellen. Detta gör att signalsubstanser, som förvaras i vesiklar, släpps ut i synapsen. Vesikler frigörs i kvanta - paket som innehåller ungefär 7 000 molekyler av transmittorer. Sannolikheten för att kvanta frigörs tilldelas en sannolikhet som ökar när aktionspotentialen anländer till synaptiska terminaler och gradvis minskar till ett lägre vilovärde. Därför är osäkerheten involverad i den exakta tidpunkten för frisättning av neurotransmittor en orsak till synaptiskt temporalt brus. Dessutom varierar styrkan hos det postsynaptiska svaret baserat på antalet frigjorda kvanta. Kvantal frisättning resulterar i den inkonsekventa styrkan och timingen av ett svar, och detta är orsaken till synaptiskt spänningsbrus.
Bakgrundsaktivitet
En annan orsak till brus beror på exocytosen av neurotransmittorer från de synaptiska terminalerna som ger input till en given neuron. Denna händelse inträffar i bakgrunden medan en cell har vilomembranpotential . Eftersom det sker i bakgrunden beror utgivningen inte på en signal, utan är slumpmässig. Denna oförutsägbarhet ökar den synaptiska brusnivån.
Synaptiskt brus visar sig som postsynaptisk miniatyrström, som observeras utan någon presynaptisk ingång. Dessa spontana strömmar beror på slumpmässigt frigjorda neurotransmittorvesiklar. Detta orsakas av den stokastiska "öppningen av intracellulära Ca 2+ -förråd, synaptisk Ca 2+ -kanalbrus, spontan triggning av vesikelfrisättningsvägen eller spontan fusion av en vesikel med membranet."
Kemisk avkänning
Kemisk avkänning, såsom smak och lukt som är beroende av en extern kemisk stimulans, påverkas av termodynamiken . Kemiska molekyler anländer till lämplig receptor vid slumpmässiga tidpunkter baserat på diffusionshastigheten för dessa partiklar. Dessutom kan receptorer inte perfekt räkna antalet signalmolekyler som passerar igenom. Dessa två faktorer är ytterligare orsaker till synaptiskt brus.
Hur CNS hanterar brus
Det centrala nervsystemet (CNS) hanterar buller på två sätt – medelvärde och förkunskaper.
Medelvärde
Medelvärdesberäkning sker när redundant information ges till en sensorisk input eller genereras av själva CNS. När flera enheter av cellulär bearbetning bär samma signal men påverkas av olika bruskällor, kan medelvärdesberäkning motverka bruset. Denna förekomst kan ses när sensoriska insignaler kopplas ihop eller överlappar varandra, så att de kan ta ett genomsnitt av inkommande signaler och slumpmässiga stimuli.
Genomsnittsbildning ses också vid divergerande synapser, där en signal ger input till många neuroner. Det kan vara fördelaktigt att skicka en signal flera gånger över många axoner och kombinera informationen i slutet, snarare än att skicka signalen en gång över en enda lång, bullrig neuron. Detta betyder att för att signalens trohet ska bevaras måste den initiala signalen vara tillförlitlig. Vid slutdestinationen beräknas medelvärde för signaler och brus kan förskjutas.
Förhandskunskap
Förkunskaper används även när man möter buller. I sensoriska neuroner som tar emot redundanta och strukturerade signaler kan sensorisk bearbetning skilja signalen från brus. Denna händelse är känd som den matchade filterprincipen , där en neuron kan använda tidigare erfarenheter om en förväntad ingång för att skilja brus från den faktiska signalen och följaktligen minska påverkan av brus.
I hippocampus
Betydelsen av synaptiskt brus har blivit tydligt genom pågående forskning av hjärnan, särskilt hippocampus . Hippocampus är en region i framhjärnan i den mediala temporalloben som är nära förknippad med minnesbildning och minne. Gamma- och thetaoscillationer , som frigörs under utforskande aktiviteter, skapar modulerade rytmer som omvandlas till långvarig excitation och dessutom till minnen eller felaktig potentiering. Dessa svängningar kan delvis bestå av synaptiska strömmar eller synaptiskt brus. Det finns nyligen bevis som stöder rollen av synaptiskt brus i signalfunktionerna inom hippocampus, och därför i minnen, oavsett om de stelnar eller stör.
Detta fokus är starkt beroende av stokastisk resonans. Från anmärkningsvärd forskning av Stacey och Durand, har synaptiskt brus krediterats för förbättrad upptäckt av svaga eller distala synaptiska ingångar inom hippocampus. Med hjälp av en datormodell simulerades subtröskelströmmar i CA3 -regionen som direkt korrelerade med ökad CA1- aktionspotentialaktivitet när små strömmar introducerades. Detta är ett exempel på en vanligen utfryst naturlig händelse som dämpar viktiga signaler som nu kan studeras och användas av terapeutiska skäl för att underlätta neural plasticitet.
Vanliga skador i hippocampusregionen kan resultera i schizofreni , epilepsi , Parkinsons och Alzheimers sjukdomar. Synaptiskt brus kan vara en del av utvecklingen av dessa sjukdomar, men tillräcklig forskning har inte utförts. En möjlig relevans är oförmågan hos synaptiskt brus att finjustera eller reglera korrekt summering till ett meddelande. Om svaga signaler inte kan förbättras med befintligt brus, äventyras den synaptiska plasticiteten, och minne och personlighet kommer att påverkas. Stacey och Durands forskning hjälpte till att forma denna nya riktning i analys och läkemedelsutveckling för att bekämpa hippocampussjukdomar.
I sensoriska neuroner
Signaler och brus i sensoriska receptorer , som tillåter organismer att koda information baserat på sina sinnen, sätter en gräns för en given känsla. Ofta är det nödvändigt att förstärka en svag signal för att den ska vara användbar. För att förstärkning ska hjälpa måste signalen vid synapsen vara mer intensifierad än bruset.
Till exempel behövs förstärkning när en enda foton av ljus träffar en stavfotoreceptor i näthinnan i ett öga. Förstärkningen tillåter den lilla stimulansen att övervinna bruset som är en inneboende egenskap hos cellen. Men att öka stimulansen ökar också bruset. Detta fenomen har lett till frågan om hur sensoriska receptorer kan sänka synaptiskt brus effektivt samtidigt som de förstärker signalen för att nå tröskeln.
Känsligheten hos en neuron ökar när information från många receptorer samlas in och integreras - en händelse som kallas pooling. Även om detta tillåter en cell att huvudsakligen fokusera på de åtgärder som är direkt involverade i stimulansen, kombinerar den också bruset, vilket ökar den totala mängden brus som finns i systemet.
En sensorisk neurons effektivitet kan ökas ytterligare om brus elimineras så tidigt som möjligt innan poolning sker, genom linjär filtrering. Avlägsnandet av brus i början är avgörande eftersom när en signal och brus med liknande timings väl kombineras är det svårare att skilja dem åt. Linjär filtrering innebär att brus tas bort med tidsfrekvenser som inte är associerade med ett givet stimulussvar. Detta tar bort händelser som är långsammare än svaret, eller som inte är kopplade till receptorn i fråga.
Implikationer
Som en negativ faktor
Brus i neuroner beror på inneboende och yttre källor. Det kan störa aktiviteten och störa hur väl en neuron kan koda en signal. Brus observeras som förändringar i membranpotentialen hos en cell. Förändringen i potential gör att noggrannheten hos en neuron begränsas i dess överföring. Denna begränsade överföring har myntats som signal-brusförhållandet . När brusnivåerna ökar skulle man anta ett sänkt förhållande och därför minskade signaler. En minskad signal kan vara skadlig för en cell om neuronal underhåll störs, eller ännu viktigare om ett nödvändigt hämmande svar går förlorat. Brus begränsar troheten hos en neurons svar på en signal eller stimulans. Signalens noggrannhet kommer att påverka hur väl högre delar av hjärnan eller sensoriska systemet bearbetar information från neuronerna.
Som en positiv faktor
Stokastisk resonans är termen som ges till ett fall när synaptiskt brus underlättar, snarare än försämrar, signaldetektering. Med stokastisk resonans kan synaptiskt brus förstärka igenkänningen av signaler som ligger under tröskelpotentialen i olinjära tröskeldetekterande system. Detta är viktigt i celler som tar emot och integrerar tusentals synaptiska indata. Dessa celler kan ofta kräva att flera synaptiska händelser inträffar samtidigt för att producera en aktionspotential, så potentialen för att ta emot subtröskelsignaler är hög. Signaler från neuroner som integrerar aktiviteten hos olika neuroner, när de tas tillsammans, kan bilda en komplett bildstimulus.
Brus tillåter också neuroner att upptäcka svaga visuella signaler genom att bearbeta bildens kontrastnivå.
En annan positiv användning av synaptiskt brus är genom att involvera fruset brus. Fruset brus hänvisar till slumpmässiga strömpulser med varierande amplituder som appliceras på den konstanta strömingången och sedan bibehåller detta mönster så att det kan användas för att observera skillnader i andra faktorer. Fruset brus tillåter forskare att avslöja huruvida en del av en neurons svar är beroende av en given stimulans eftersom de andra störande förhållandena hålls konstanta.
Fysiologisk relevans
Synaptiskt brus har associerats med högfrekventa oscillationer (HFO) i hjärnan. HFO:er är absolut nödvändiga för normal hjärnfunktion, och forskning har visat att synaptiskt brus kan vara en potentiell initiator till HFO:er. HFO mellan 60–70 Hz har registrerats som normal aktivitet i hjärnan genom EEG ( elektroencefalografi )-inspelningar, men frekvenser inom intervallet 100–200 Hz, även kallade krusningar, har associerats med epilepsi . Ripples är dock inte helt onormala eller regelbundna. "Ripples har använts för att beskriva både onormal aktivitet i samband med epileptiforma skarpa vågor och normala beteenden som fysiologiska skarpa vågor och minneskonsolidering."
Synaptiskt brus orsakas inte bara av masssignalering från omgivande neuronala impulser, utan också från den direkta signaleringen inom själva neuronen. Under episoder av epilepsi är de impulser som avfyras av större storlek och frekvens än normalt. Transient signalering, eller mer specifikt brus, kan förkorta vilopotentialen för att möjliggöra snabbare neural avfyring.
Det finns också bevis som stöder det faktum att epilepsi kan vara en orsak till synaptiskt brus. Under ett epileptiskt anfall uppstår tertiära utbrott av aktionspotential genom nervcellerna i hjärnan. Neuroner avfyras slumpmässigt och snabbt och skapar den konvulsiva effekt som patienten uppvisar under anfallet. Innan dessa utbrott sker en ökning av de extracellulära kaliumkoncentrationerna i neuronerna. "Kalium förväntas stiga under epileptiska flytningar, och vi har preliminära bevis från ventrala skivor som exponerats för bicucullin att kalium stiger till ett tröskelvärde på ~9 mM precis innan debuten av tertiära utbrott." De ökade kaliumkoncentrationerna utanför neuronen kan öka terminal excitabilitet, vilket orsakar möjlig aktionspotentialavfyrning, vilket leder till synaptiskt brus.
Nuvarande forskning
Man tror att genom att först förstå kanalbrus, kan man mer fullständigt förstå synaptiskt brus. Kanalbrus är variationen i neuronala svar som genereras av slumpmässig grindning av spänningsstyrda jonkanaler, såsom de för kalium eller natrium, vitala komponenter i en aktionspotential. Detta förutsättningsbehov föreslås eftersom både kanal- och synaptiskt brus begränsar tillförlitligheten av lyhördhet för stimuli i neuroner, såväl som att båda är spänningsberoende.
För att förstå framtiden för forskning om synaptiskt brus skulle det vara viktigt att diskutera arbetet av Alain Destexhe, en belgisk läkare som i hög grad har studerat betydelsen av synaptiskt brus i neuronala anslutningar. Han använder den dynamiska klämtekniken för att förstå förekomsten och egenskaperna hos brus. Medan spänningsstyrda klämmor registrerar konfigurationer, tillåter dynamic-clamp styrning av konduktansen med hjälp av dator. En beräkningsmodell av synaptiskt brus skapas och implementeras sedan i neuronen, som simulerar synaptiskt brus. Detta kan användas för att jämföra med in vivo-förhållanden. Destexhe konstaterar att framtida forskning kan riktas mot fyra möjliga vägar, i reflektion av hans forskning med dynamisk-clamp. För det första kan det vara fördelaktigt att förstå kontrollen av synaptiskt brus så att moduleringen av brus kan användas på människor för att förvandla icke-responsiva nätverk till ett responsivt tillstånd. Därefter skulle det vara nödvändigt att förstå hur externt brus interagerar med interna neuronala egenskaper mer fullständigt för att sammanfalla modeller med experimentella fakta. Det finns också ett behov av att ytterligare experimentellt undersöka metoderna för dendritisk integration och rollen av synaptiskt brus när det är närvarande. Slutligen fann han stöd för att synaptiskt brus förbättrar temporal upplösning i neuroner, men experimentella bevis har inte gjorts för att ytterligare utveckla tidigare modelleringsstudier. Genom att använda dynamisk klämma förtydligar dessa informationsdelar rollen av synaptiskt brus i hjärnan och hur det kan utnyttjas för specifika terapier.
Mer information är nödvändig för att förstå vilken roll buller spelar vid schizofreni. Emellertid verkar schizofrena och deras syskon som inte har schizofreni ha en ökad nivå av brus i sina prefrontala kortikala informationsbehandlingskretsar. Avvikelser i den prefrontala cortex kan orsaka några av de symtom som är förknippade med schizofreni, såsom hörselhallucinationer, vanföreställningar och påverkan på arbetsminnet. Att veta hur brus påverkar signaleringen i detta område av hjärnan, till exempel att inte kunna skilja brus från en signal, kan ge mer information om varför dessa avvikelser uppstår.
Funktionell magnetisk resonanstomografi (fMRI) påverkas av brus. Brus som finns under skanning kan påverka integriteten hos en bild genom att introducera en aspekt av osäkerhet genom brus. Mer forskning behövs för att veta om detta brus är specifikt synaptiskt brus eller någon av de andra typerna. Dessutom, för att göra fMRI mer användbar och pålitlig, krävs forskning om buller och sätt att dämpa det.