2.2: Основна біологія нейрона як детектора

Last updated
Save as PDF

Page ID: 72666

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

На малюнку 2.2 показано відповідність між нейронною біологією та функціями виявлення, які вони обслуговують. Синапси - це точки зв'язку між передаючими нейронами (тими, що запускають тривогу та надсилають сигнал) та приймальними нейронами (тими, що отримують цей сигнал). Більшість синапсів знаходяться на дендритах, які є великими розгалуженими деревами (слово «дендрит» походить від грецького «дендрос», що означає дерево), саме там нейрон інтегрує всі вхідні сигнали. Подібно притокам, що впадають у велику річку, всі ці сигнали надходять в головний дендритний стовбур і в тіло клітини, де відбувається остаточна інтеграція сигналу. Порог відбувається на самому початку вихідного кінця нейрона, званого аксоном (це початкове місце називається аксонним горбом — мабуть, це схоже на маленький пагорб або щось таке). Аксон також широко розгалужується і є тим, що утворює іншу сторону синапсів на дендрити інших нейронів, завершуючи наступний ланцюжок зв'язку. І далі вона йде.

Малюнок\(2.2\): Нейрон як детектор, з відповідними біологічними компонентами.

Це все, що вам потрібно знати про біологію нейрона, щоб зрозуміти основну функціональність детектора: він просто отримує входи, інтегрує їх та вирішує, чи є інтегрований вхід достатньо сильним, щоб викликати вихідний сигнал.

Існують деякі додаткові біологічні властивості щодо природи вхідних сигналів, які, як ми побачимо, мають різні наслідки для нейронної функції, включаючи те, що процес інтеграції краще справляється з великими змінами загальної потужності вхідного сигналу. Існує щонайменше три основних джерела вхідних сигналів до нейрона:

Збуджуючі входи - це «нормальний», найбільш поширений тип вхідних даних від інших нейронів (приблизно 85% всіх входів), які мають ефект збудження приймального нейрона (що робить його більш імовірним, щоб перевищити поріг і запустити «тривогу»). Вони передаються через синаптичний канал під назвою AMPA, який відкривається нейромедіатором глутамат.
Інгібуючі входи - це інші 15% входів, які мають протилежний ефект збуджуючим входам - вони викликають меншу ймовірність пожежі нейрона і служать для того, щоб зробити процес інтеграції набагато надійнішим, зберігаючи збудження під контролем. У мозку є спеціалізовані нейрони, які називаються інгібуючими інтернейронами, які генерують цей інгібуючий вхід (про них ми дізнаємося набагато більше в розділі Мережі). Цей вхід надходить через синаптичні канали ГАМК, керовані нейромедіатором ГАМК.
Входи для витоків - це технічно не входи, оскільки вони завжди присутні та активні, але вони виконують подібну функцію до інгібіторних входів, протидіючи збудженню та підтримуючи загальний баланс нейрона. Біологічно канали витоку - калієві канали (К).

Інгібуючі та збудливі входи надходять від різних нейронів у корі: даний нейрон може надсилати або збуджуючі, або інгібуючі виходи іншим нейронам, а не обидва (хоча нейрони в інших областях мозку порушують це обмеження, неокортикальні пірамідні нейрони, здається, підкоряються йому). Ми побачимо множинні наслідки цього обмеження по всьому тексту.

Нарешті, ми вводимо поняття чистої синаптичної ефективності або ваги, що представляє загальний вплив, який сигнал активності нейрона може мати на приймаючий нейрон через його синаптичний зв'язок. Синаптична вага - одне з найважливіших понять у всій області обчислювальної когнітивної неврології! Ми будемо досліджувати це різними способами, коли ми йдемо. Біологічно він являє собою чисту здатність потенціалу дії нейрона, що відправляє, вивільняти нейромедіатор, і здатність цього нейромедіатора відкривати синаптичні канали на постсинаптичній стороні (включаючи загальну кількість таких каналів, які доступні для відкриття). Для збуджуючих входів це, таким чином, кількість глутамату, що виділяється нейроном, що відправляє в синапс, і кількість та ефективність каналів AMPA на стороні приймаючого нейрона синапсу. Обчислювально ваги визначають, що виявляє нейрон. Сильне значення ваги вказує на те, що нейрон дуже чутливий до цього конкретного вхідного нейрона, тоді як низька вага означає, що цей вхід є відносно неважливим. Весь процес навчання зводиться до зміни цих синаптичних ваг як функції шаблонів нейронної активності в нейрони відправки та прийому. Коротше кажучи, все, що ви знаєте, кожна заповітна пам'ять у вашому мозку, закодована як зразок синаптичних ваг!

Щоб дізнатися більше про біологію нейрона, див Нейрон/Біологія.