المجالات الكهربائية مهمة في ترميز الذكريات

ملخص: يشبه دماغنا أوركسترا ، حيث تعمل الخلايا العصبية كموسيقيين يخلقون سمفونية من الفكر والذاكرة.

كشفت دراسة حديثة عن الموصل الذي يقف وراء هذه السمفونية: المجالات الكهربائية. يتم إنشاء هذه الحقول من خلال النشاط الكهربائي المنسق للخلايا العصبية ، والتي يتم تنظيمها في شبكات وظيفية.

يلقي هذا البحث الضوء على الأعمال الداخلية المعقدة للدماغ ويمكن أن يؤثر على مستقبل واجهات الدماغ والحاسوب.

مفتاح الحقائق:

1. تدمج الحقول الكهربائية الناتجة عن النشاط الكهربائي الجماعي للخلايا العصبية المعلومات عبر مناطق رئيسية من الدماغ.
2. أصبحت هذه العملية ممكنة بواسطة آلية تسمى “اقتران ephaptic coupling” ، والتي يمكن أن تؤثر على تضخم الخلايا العصبية بحيث ترسل إشارات إلى الخلايا العصبية الأخرى.
3. يمكن أن تحسن النتائج القدرة على قراءة المعلومات من الدماغ ولها آثار على تصميم الأطراف الصناعية التي يتحكم فيها الدماغ.

مصدر: معهد بيك أوفر للتعلم والذاكرة

إن استعارة “الدائرة” للدماغ لا يمكن إنكارها كما هو معروف جيدًا: الخلايا العصبية تشكل روابط فيزيائية مباشرة لتشكيل شبكات وظيفية ، على سبيل المثال لتخزين الذكريات أو تكوين الأفكار.

لكن القياس غير مكتمل. ما الذي يدفع هذه الدوائر والشبكات إلى التقارب؟ تشير أدلة جديدة إلى أن بعض هذا التنسيق على الأقل يأتي من المجالات الكهربائية.

دراسة جديدة في القشرة الدماغية عندما لعبت الحيوانات ألعاب الذاكرة العاملة ، تم تنسيق المعلومات التي تتذكرها بواسطة مجال كهربائي في منطقتين رئيسيتين في الدماغ ، والتي نشأت من النشاط الكهربائي الأساسي لجميع الخلايا العصبية المشاركة.

ويبدو أن المجال ، بدوره ، يقود النشاط العصبي أو التقلبات في الجهد الظاهري عبر أغشية الخلايا.

إذا كانت الخلايا العصبية موسيقيين في أوركسترا ، فإن مناطق الدماغ هي أقسامها ، والذاكرة هي الموسيقى التي يصنعونها ، كما يقول مؤلفو الدراسة ، فإن المجال الكهربائي هو الموصل.

تسمى الآلية الفيزيائية التي يقوم بها المجال الكهربائي بتعديل إمكانات الغشاء لهذه الخلايا العصبية “الاقتران اللاصق”. هذه الفولتية الغشائية أساسية لوظيفة الدماغ.

عندما تعبر العتبة ، ترسل الخلايا العصبية “سبايكًا” ، وهو نقل كهربائي يرسل إشارات إلى الخلايا العصبية الأخرى في اتصالات تسمى المشابك العصبية. قال كبير مؤلفي الدراسة إيرل ك. ، أستاذ Pygover في قسم الدماغ والعلوم المعرفية في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، إن أي قدر من النشاط الكهربائي يمكن أن يساهم في المجال الكهربائي السائد ، والذي يؤثر أيضًا على الارتفاع المفاجئ. قال ميلر.

قال ميلر: “تقضي العديد من الخلايا العصبية القشرية الكثير من الوقت تتأرجح على حافة الارتفاع المفاجئ”. “التغييرات في المجال الكهربائي من حولهم يمكن أن تدفعهم بطريقة أو بأخرى. من الصعب تخيل أن التطور لن يستخدم ذلك.

على وجه التحديد ، تُظهر الدراسة الجديدة أن المجالات الكهربائية تقود النشاط الكهربائي لشبكات الخلايا العصبية ، مما يخلق تمثيلًا مشتركًا للمعلومات المخزنة في الذاكرة العاملة ، كما قال المؤلف الرئيسي ديميتريس بينوتسيس ، الأستاذ المشارك والمساعد البحثي في ​​سيتي ، جامعة لندن. في شركة بيك أوفر.

وأشار إلى أن النتائج يمكن أن تحسن قدرة العلماء والمهندسين على قراءة المعلومات من الدماغ.

قال بينوتسيس: “باستخدام نظرية الأنظمة المعقدة والحسابات الرياضية بالقلم والورقة ، توقعنا أن الحقول الكهربائية للدماغ توجه الخلايا العصبية لتشكيل الذكريات”.

“تدعم بياناتنا التجريبية والتحليلات الإحصائية هذا التوقع. إنه مثال على كيف يمكن للرياضيات والفيزياء تسليط الضوء على مناطق الدماغ وتقديم رؤى لتطوير أجهزة واجهة الكمبيوتر والدماغ (PCI).”

تسود الحقول

في دراسة أجريت عام 2022 ، طور ميلر وبينوتسيس نموذجًا فيزيائيًا حيويًا للمجالات الكهربائية الناتجة عن النشاط الكهربائي العصبي. أظهروا أن الحقول الكلية الناشئة من مجموعات الخلايا العصبية في منطقة الدماغ هي تمثيلات أكثر موثوقية واستقرارًا للمعلومات التي تستخدمها الحيوانات للعب ألعاب الذاكرة العاملة من النشاط الكهربائي للخلايا العصبية الفردية. الخلايا العصبية هي أجهزة غير مستقرة إلى حد ما ، ويؤدي تنوعها إلى تناقضات معلوماتية تُعرف باسم “الانجراف التمثيلي”.

في مقال رأي في وقت سابق من هذا العام ، أفاد العلماء أنه بالإضافة إلى الخلايا العصبية ، أثرت الحقول الكهربائية على البنية التحتية الجزيئية للدماغ وضبطها ، مما يسمح للدماغ بمعالجة المعلومات بشكل أكثر فعالية.

في الدراسة الجديدة ، وسع بينوتسيس وميلر تحقيقاتهم ليسألوا عما إذا كان التوصيل الفوقي يخلق شبكة ذاكرة ، أو “engram” ، التي تتحكم في المجال الكهربائي في مناطق الدماغ المتعددة.

لذلك قاموا بتوسيع تحليلهم للنظر في منطقتين في الدماغ: حقول العين الأمامية (FEF) وحقول العين الإضافية (SEF).

هاتان المنطقتان ، اللتان تحكمان الحركة الإرادية للعين ، لهما صلة بلعبة الذاكرة التي تلعبها الحيوانات ، لأنه في كل جولة ترى الحيوانات صورة على شاشة بزاوية معينة حول المركز (مثل الأرقام الموجودة على مدار الساعة). )

بعد تأخير قصير ، كان عليهم النظر في نفس اتجاه الكائن.

أثناء لعب الحيوانات ، سجل العلماء إمكانات المجال المحلية (LFPs ، وهو مقياس للنشاط الكهربائي المحلي) الناتجة عن عدد الخلايا العصبية في كل منطقة. قام العلماء بتغذية بيانات LFP المسجلة هذه في نماذج رياضية تنبأت بنشاط الخلايا العصبية الفردية والمجالات الكهربائية الكلية.

سمحت النماذج لـ Pinotsis و Miller بحساب ما إذا كانت التغييرات في الحقول تنبأت بالتغيرات في الفولتية الغشائية أو ما إذا كانت التغييرات في النشاط تنبأت بالتغيرات في الحقول.

للقيام بهذا التحليل ، استخدموا طريقة رياضية تسمى سببية جرانجر. مما لا شك فيه أن هذا التحليل أظهر أنه في كل منطقة ، كان للحقول تأثير سببي قوي على النشاط العصبي وليس العكس.

تمشيا مع دراسة العام الماضي ، أظهر التحليل أن مستويات قوة التأثير كانت أكثر اتساقًا في المجالات مقارنة بالنشاط العصبي ، مما يشير إلى أن المجالات أكثر موثوقية.

تحقق الباحثون من العلاقة السببية بين منطقتي الدماغ ووجدوا أن المجالات الكهربائية ، وليس النشاط العصبي ، تمثل بشكل موثوق نقل المعلومات بين FEF و SEF.

وبشكل أكثر تحديدًا ، وجدوا أن الانتقال يتدفق عادةً من FEF إلى SEF ، وهو ما يتفق مع الدراسات السابقة لكيفية تفاعل المنطقتين. يميل FEF إلى بدء حركة العين.

أخيرًا ، استخدم بينوتسيس وميلر تقنية رياضية أخرى تسمى تحليل التشابه التمثيلي لتحديد ما إذا كانت المنطقتان تعالجان بالفعل الذاكرة نفسها. تمثل الحقول الكهربائية ، وليس LFPs أو النشاط العصبي ، نفس المعلومات في كلا المنطقتين ، وتوحدهما في شبكة ذاكرة engram.

والآثار السريرية

بالنظر إلى الأدلة على أن المجالات الكهربائية تنشأ من النشاط الكهربائي العصبي ولكنها تدفع النشاط العصبي لتمثيل المعلومات ، افترض ميلر أن نشاط النشاط الكهربائي في الخلايا العصبية الفردية يولد المجالات التي تحكمها.

قال ميلر: “إنه شارع ذو اتجاهين”. “التعزيز والتزامن مهمان للغاية. هذا هو الأساس. ولكن بعد ذلك تنقلب الحقول وتؤثر على الارتفاع.

قد يكون لهذا آثار مهمة على العلاجات النفسية ، لأنه عندما ترتفع الخلايا العصبية ، فإنها تؤثر على قوة روابطها وبالتالي على وظيفة الدوائر التي تشكلها ، وهي ظاهرة تُعرف باسم اللدونة المشبكية.

وأشار ميلر إلى أن التقنيات الطبية مثل التحفيز الكهربائي عبر الجمجمة (TES) تغير المجالات الكهربائية للدماغ. إذا لم تحاكي المجالات الكهربائية النشاط العصبي فحسب ، بل تعمل على تشكيله بشكل فعال ، فيمكن استخدام تقنيات TES لتغيير الدوائر. قال إن التلاعبات بالمجال الكهربائي المصممة بشكل صحيح يمكن أن تساعد المرضى يومًا ما في إعادة توصيل الدوائر المعيبة.

تمويل: جاء تمويل الدراسة من UK Research and Innovation ، ومكتب الولايات المتحدة للبحوث البحرية ، ومؤسسة JPB ، ومعهد Picower للتعلم والذاكرة.

حول هذا أخبار أبحاث علم الأعصاب

مؤلف: ديفيد أورينستين
مصدر: معهد بيك أوفر للتعلم والذاكرة
اتصال: ديفيد أورينستين – معهد بيك أوفر للتعلم والذاكرة
صورة: الفيلم يعود الفضل فيه إلى Neuronews

البحث الأصلي: الوصول المفتوح.
“تسمح التوصيلية في الجسم الحي بتشكيل شبكة الذاكرة“إيرل ك. ميلر وآخرون. القشرة الدماغية

ملخص

تسمح التوصيلية في الجسم الحي بتشكيل شبكة الذاكرة

من الواضح بشكل متزايد أن الذكريات تتوزع عبر مناطق دماغية متعددة. هذه “مجمعات engram” هي جوانب مهمة في تكوين الذاكرة وتوحيدها.

نحن هنا نختبر الفرضية القائلة بأن مجمعات engram تتشكل جزئيًا بواسطة المجالات الكهربائية الحيوية التي تنحت وتوجه النشاط العصبي وتربط معًا المناطق المشاركة في مجمعات engram. مثل قائد الأوركسترا ، تؤثر الحقول على كل موسيقي أو عصبون وتنظم الإخراج ، السمفونية.

تطبق نتائجنا نظرية التماسك والتعلم الآلي والبيانات من مهمة saccade المتأخرة مكانيًا وتقدم دليلًا على الاقتران في الجسم الحي في تمثيلات الذاكرة.