Thông tin

Thời gian trễ truyền thông tin từ tế bào thần kinh này sang tế bào thần kinh khác trong não

Thời gian trễ truyền thông tin từ tế bào thần kinh này sang tế bào thần kinh khác trong não


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Bên trong não, các tín hiệu điện được truyền từ tế bào thần kinh này sang tế bào thần kinh khác bằng cách sử dụng các chất hóa học đặc biệt, được gọi là "chất dẫn truyền thần kinh" từ các đầu tận cùng của sợi trục.

Bất cứ ai có thể cho tôi biết làm thế nào để tính toán giá trị gần đúng của thời gian trễ truyền thông tin từ nơ-ron này sang nơ-ron khác. Tôi đang nghĩ rằng nó sẽ ít hơn pico-giây!

Nếu có bất kỳ bài báo / tài liệu nghiên cứu liên quan đến nó thì tôi thực sự đánh giá cao nó. Cảm ơn


Bạn đã đề cập đến chất dẫn truyền thần kinh được giải phóng tại khe hở khớp thần kinh, nhưng có vẻ như bạn đang quan tâm đến bức tranh hoàn chỉnh. Điện thế hoạt động thực sự rất chậm truyền xuống sợi trục với vận tốc dẫn truyền từ 0,5 đến 150 m / s, tùy thuộc vào cách sợi trục được myelin hóa như thế nào (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK10921/ ). Một đứa trẻ mới biết đi có thể chạy nhanh hơn những tín hiệu chậm nhất! Chiều dài của sợi trục trong não cũng thay đổi rất nhiều, từ vài micromet đến vài cm, nhưng chỉ một phần trăm thực sự phát triển dài hơn một cm.

Chúng tôi sẽ thực hiện một tính toán rất thô. Giả sử chiều dài sợi trục trung bình là nửa cm (5 mm) và vận tốc dẫn truyền trung bình là 25 mét / giây (hoặc 25.000 mm / giây), thì độ trễ phát sinh từ điện thế hoạt động xuống sợi trục sẽ là 0,005 giây (hoặc 5 mili giây).

Điều này không bao gồm thời gian tế bào trước synap giải phóng chất dẫn truyền thần kinh, tế bào sau synap để hấp thụ chất dẫn truyền thần kinh và chuyển chúng thành xung điện trở lại và truyền xung điện đến soma để tích hợp. Do đó, độ trễ là khoảng 0,5 đến 4 mili giây (https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/14980200).

Rõ ràng là có rất nhiều biến thể trong tất cả những con số này. Vì vậy, mất bao lâu để một tín hiệu được truyền từ soma đến đầu tận cùng sợi trục của nơron này đến một tín hiệu khác? Một vài mili giây. Mất bao lâu để giải phóng và hấp thụ chất dẫn truyền thần kinh? Có lẽ một vài mili giây nữa. Nếu bạn là kiểu người muốn một con số đơn giản, lý tưởng hóa, bỏ qua sự phức tạp của các dữ kiện, thì tôi sẽ ước tính khoảng 7 mili giây cho tổng quy trình.


Tế bào thần kinh tự động chuyển đổi nhận dạng để phản ứng với hoạt động của não

Bộ não con người thường được cho là vật thể phức tạp nhất trong vũ trụ đã biết, và có lý do chính đáng để tin rằng điều sáo rỗng cũ kỹ này là đúng. Ngay cả nhiệm vụ có vẻ đơn giản là biên soạn một cuộc điều tra dân số về các loại ô khác nhau mà nó chứa cũng đã được chứng minh là cực kỳ khó khăn. Các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể thống nhất về cách tốt nhất để phân loại vô số loại tế bào thần kinh phụ và các phương pháp khác nhau tạo ra các kết quả khác nhau, vì vậy các ước tính nằm trong khoảng từ vài trăm đến hơn một nghìn.

Tế bào rổ minh họa hoàn hảo cuộc khủng hoảng nhận dạng tế bào thần kinh này. Chúng hiện được chia thành nhiều loại khác nhau, theo hình dạng, tính chất điện và cấu hình phân tử. Sau gần mười năm làm công việc trinh thám, giờ đây các nhà nghiên cứu tại Đại học King’s College London tiết lộ họ là những bậc thầy về ngụy trang. Trong một nghiên cứu mới đáng ngạc nhiên, họ chỉ ra rằng những tế bào này có thể tự động chuyển từ danh tính này sang danh tính khác để phản ứng với hoạt động của mạng lưới tế bào thần kinh.

Tế bào rổ là một loại interneuron, được tìm thấy rải rác khắp vỏ não, hồi hải mã và tiểu não, và chiếm khoảng 5% tổng số tế bào ở những vùng não này. Chúng tạo thành các mạch cục bộ với nhau và với các tế bào thần kinh hình tháp, các tế bào lớn hơn và nhiều hơn sẽ truyền thông tin đến các phần xa của não và tổng hợp chất dẫn truyền thần kinh ức chế GABA, chất này làm giảm hoạt động của tế bào hình tháp khi được giải phóng.

Các tế bào bí ẩn này được cho là tồn tại ở hơn 20 loại khác nhau, loại được biết đến nhiều nhất là loại có tốc độ tăng đột biến nhanh, phản ứng nhanh với các tín hiệu đến và loại chậm hơn, phản hồi sau một khoảng thời gian trễ. Trong quá trình phát triển của não, các dạng chưa trưởng thành của tất cả các loại tế bào rổ được tạo ra trong một cấu trúc được gọi là cấu trúc hạch trung gian, cùng với nhiều loại tế bào não khác. Sau đó, chúng di chuyển vào vỏ não đang phát triển, trước khi tiếp tục hình thành các kết nối tiếp hợp với các tế bào khác.

Trở lại năm 2007, Oscar Marín của Trung tâm Sinh học Thần kinh Phát triển MRC và các đồng nghiệp của ông đã báo cáo rằng một loại protein có tên Er81 được tìm thấy trong các tế bào nhũ tương hạch trung gian chưa trưởng thành, và cũng ở các mức độ khác nhau đối với một số lượng nhỏ tế bào trên khắp vỏ não. Er81 là một bộ điều khiển chính điều phối hoạt động của các gen phát triển. Khi được tổng hợp bởi một tế bào, nó sẽ đi vào nhân, liên kết với các chuỗi DNA cụ thể trong các gen đích của nó và giúp các tế bào não trẻ tìm thấy vị trí và mục đích của chúng, bằng cách bật và tắt các bộ gen này vào những thời điểm và địa điểm khác nhau. Ví dụ, nó cần thiết để xác định danh tính của các tế bào thần kinh cảm giác và vận động, đồng thời cũng kiểm soát cách chúng kết nối với nhau trong tủy sống.

Tuy nhiên, chức năng của nó trong các ô rổ vẫn chưa được biết đến, và vì vậy nghiên cứu mới này, do Nathalie Dehorer dẫn đầu, đã tìm cách điều tra khả năng Er81 cũng xác định danh tính của chúng. Đầu tiên, họ kiểm tra các lát mô từ vỏ não của những con chuột biến đổi gen có tế bào rổ tạo ra protein huỳnh quang màu xanh lá cây. Đầu tiên, họ sử dụng các vi điện cực để ghi lại hoạt động điện của tế bào, xác nhận rằng một số tế bào thần kinh được gắn nhãn fluroescently là tế bào giỏ tăng tốc nhanh, và một số tế bào trong số đó là tế bào chậm. Một thí nghiệm khác tiết lộ rằng mặc dù Er81 hiện diện ở mức cao trong các ô rổ chậm, nó dường như hoàn toàn không có trong các ô tăng đột biến nhanh.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã tạo ra những con chuột được biến đổi gen của riêng họ, để xóa gen Er81 trong các vùng não cụ thể và vào các thời điểm khác nhau trong cuộc đời của động vật. Việc xóa gen khỏi hạch trung gian ở chuột phôi không ảnh hưởng đến số lượng tế bào giỏ, hoặc sự phân bố của chúng trong vỏ não, cho thấy rằng protein không cần thiết cho sự di cư của chúng hoặc cho giai đoạn xác định danh tính của chúng sớm nhất. Tuy nhiên, họ nhận thấy rằng hầu hết các ô rổ ở những động vật này là ô có tốc độ tăng nhanh, cho thấy cần phải có Er81 để duy trì danh tính của những ô chậm chạp.

Để kiểm tra điều này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một dòng chuột khác và xóa gen khỏi các tế bào rổ trong vỏ não của động vật trưởng thành. Kiểm tra mô não cho thấy điều này làm mất gần như hoàn toàn các tế bào giỏ chậm, do những thay đổi trong hoạt động của các gen kênh kali, vốn kiểm soát các đặc tính điện của tế bào, cũng như sự sắp xếp lại chính các đầu vào khớp thần kinh mà chúng nhận được. các ô khác.

Lần này, họ phát hiện ra rằng mức độ Er81 trong nhân có liên quan trực tiếp đến thời gian trì hoãn phản ứng của tế bào rổ, và hoạt động của mạng lưới tế bào thần kinh làm thay đổi đáng kể tỷ lệ giữa tế bào tăng đột biến nhanh và tế bào rổ chậm. Và mặc dù phân tử Er81 bị thiếu trong tế bào nhanh, tất cả các loại tế bào phụ đều chứa các bản sao Er81, các bản sao của bản thiết kế di truyền được xuất ra từ nhân để sử dụng cho quá trình tổng hợp protein.

Do đó, Er81 dường như hoạt động như một công tắc phân tử có thể thay đổi các đặc tính điện của tế bào rổ, cho phép chúng biến đổi linh hoạt giữa các trạng thái nhanh và chậm, để đáp ứng với những thay đổi trong hoạt động của mạng nơ-ron. Các phát hiện, được công bố trên tạp chí Khoa học tuần trước, gợi ý rằng các tế bào rổ tồn tại liên tục, thay vì dưới dạng các loại phụ rời rạc, rằng chúng được điều chỉnh vĩnh viễn theo hoạt động của mạng lưới thần kinh và chúng liên tục thích nghi với nó bằng cách chuyển đổi giữa các trạng thái nhanh và chậm của chúng.


Cách protein kiểm soát quá trình xử lý thông tin trong não

Một sự tương tác phức tạp giữa các protein khác nhau là cần thiết để thông tin truyền từ tế bào thần kinh này sang tế bào thần kinh tiếp theo. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) hiện đã tìm cách nghiên cứu quá trình này trong các túi tiếp hợp, đóng một vai trò quan trọng trong quá trình này. Nghiên cứu xuất hiện trên tạp chí Nature Communications.

Vài tỷ tế bào thần kinh giao tiếp với nhau trong cơ thể để con người và các sinh vật khác có thể nhận thức và phản ứng với môi trường của họ. Một loạt các quá trình điện và hóa học phức tạp xảy ra trong vòng vài mili giây. "Các chất truyền tin đặc biệt - được gọi là chất dẫn truyền thần kinh - được giải phóng tại khớp thần kinh của các tế bào thần kinh. Chúng truyền thông tin giữa các tế bào thần kinh riêng lẻ", Tiến sĩ Carla Schmidt, trợ lý giáo sư tại Trung tâm Năng lực Đổi mới HALOmem tại MLU giải thích. Các chất truyền tin được đóng gói thành các túi nhỏ gọi là túi tiếp hợp, hợp nhất với màng tế bào để phản ứng với xung điện và giải phóng các chất truyền tin. Các chất truyền tin sau đó được nhận biết bởi các protein thụ thể đặc biệt trong tế bào thần kinh tiếp theo. Để điều này thành công, nhiều protein phải làm việc cùng nhau, chia lưới như bánh răng trong một cơ chế hoạt động đồng hồ. Tuy nhiên, hiện tại còn quá ít thông tin về cách thức hoạt động chính xác của quá trình này, Schmidt nói.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một dạng khối phổ đặc biệt để điều tra quá trình này. Khối phổ liên kết chéo giúp xác định các vị trí tương tác của các protein. Chúng được trộn với một chất liên kết với nhau các protein gần đó. Chất này phản ứng ở những nơi khác nhau tùy thuộc vào cách các protein tương tác với nhau. Khối phổ kế phân tích các dạng liên kết, có thể được sử dụng để đưa ra kết luận về sự sắp xếp của các protein. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra các giai đoạn khác nhau của mụn nước và phát hiện mạng lưới protein nào đã hình thành.

Nghiên cứu từ Halle cho phép hiểu rõ hơn về quá trình truyền tín hiệu trong các tế bào thần kinh. Kiến thức về các quá trình bình thường giúp các nhà khoa học nhận ra và hiểu được những trục trặc có thể gây ra các bệnh như Alzheimer.

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Bộ Tài chính Liên bang về Nghiên cứu và Giáo dục ở Đức, Quỹ Phát triển Khu vực Châu Âu (ERDF) và Quỹ Alexander von Humboldt.


Thời gian trễ truyền thông tin từ tế bào thần kinh này sang tế bào thần kinh khác trong não - Tâm lý học

Giao tiếp giữa các tế bào thần kinh
Bởi Silvia Helena Cardoso, Tiến sĩ

Tất cả các cảm giác, cảm giác, suy nghĩ, phản ứng vận động và cảm xúc, học tập và trí nhớ, tác dụng của thuốc kích thích thần kinh, nguyên nhân của rối loạn tâm thần và bất kỳ chức năng hoặc rối loạn chức năng nào khác của não người đều không thể hiểu được nếu không có kiến ​​thức về quá trình hấp dẫn giao tiếp giữa các tế bào thần kinh (tế bào thần kinh). Các tế bào thần kinh phải liên tục thu thập thông tin về trạng thái bên trong của sinh vật và môi trường bên ngoài của nó, đánh giá thông tin này và phối hợp các hoạt động phù hợp với hoàn cảnh và nhu cầu hiện tại của người đó.

Làm thế nào các tế bào thần kinh xử lý thông tin này?

Điều này về cơ bản xảy ra nhờ xung thần kinh. Xung thần kinh là sự truyền tín hiệu được mã hóa từ một kích thích nhất định dọc theo màng tế bào thần kinh, bắt đầu từ điểm mà nó được áp dụng. Các xung thần kinh có thể truyền từ tế bào này sang tế bào khác, do đó tạo ra một chuỗi thông tin trong một mạng lưới các tế bào thần kinh.

Hai loại hiện tượng liên quan đến quá trình xử lý xung thần kinh: điện và hóa học. Các sự kiện điện truyền một tín hiệu trong một tế bào thần kinh và các quá trình hóa học truyền tín hiệu từ một tế bào thần kinh này sang một tế bào thần kinh khác hoặc đến một tế bào cơ. Quá trình tương tác hóa học giữa các tế bào thần kinh và giữa các tế bào thần kinh và tế bào tác động xảy ra ở phần cuối của sợi trục, trong một cấu trúc gọi là khớp thần kinh. Chạm rất gần với đuôi gai của tế bào khác (nhưng không có sự liên tục vật chất giữa cả hai tế bào), sợi trục tiết ra các chất hóa học được gọi là chất dẫn truyền thần kinh, chất này tự gắn vào các thụ thể hóa học trong màng của tế bào thần kinh sau và thúc đẩy những thay đổi kích thích hoặc ức chế trong màng của nó.

Do đó, chất dẫn truyền thần kinh làm cho các xung thần kinh của một tế bào này có thể ảnh hưởng đến các xung thần kinh của tế bào khác, do đó cho phép các tế bào não "nói chuyện với nhau", có thể nói như vậy. Cơ thể con người đã phát triển một số lượng lớn các sứ giả hóa học này để tạo điều kiện giao tiếp nội bộ và truyền tín hiệu trong não. Khi mọi thứ hoạt động bình thường, thông tin liên lạc nội bộ diễn ra mà chúng tôi không hề hay biết.

Hiểu biết về truyền qua synap là chìa khóa để hiểu hoạt động cơ bản của hệ thần kinh ở cấp độ tế bào. Toàn bộ điểm của hệ thần kinh là kiểm soát và điều phối chức năng cơ thể và cho phép cơ thể phản ứng và hành động với môi trường. Truyền qua synap là quá trình quan trọng trong hoạt động tích hợp của hệ thần kinh.

Chúng ta đã xem quá trình điện của xung thần kinh trong bài viết trước. Trong số này, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn cách hoạt động của khớp thần kinh và chất dẫn truyền thần kinh ..

Synapse: Điểm gặp gỡ giữa các tế bào thần kinh

Vì các tế bào thần kinh tạo thành một mạng lưới các hoạt động điện, bằng cách nào đó chúng phải được kết nối với nhau. Khi một tín hiệu thần kinh, hoặc xung động, đến tận cùng sợi trục của nó, nó đã truyền đi như một điện thế hoạt động, hoặc một xung điện. Tuy nhiên, không có sự liên tục tế bào giữa một nơ-ron này và nơ-ron tiếp theo có một khoảng trống gọi là khớp thần kinh. Màng của tế bào gửi và tế bào nhận được ngăn cách với nhau bằng khoảng trống synap đầy chất lỏng. Tín hiệu không thể nhảy qua khe hở bằng điện. Vì vậy, các chất hóa học đặc biệt được gọi là chất dẫn truyền thần kinh có vai trò này. Chúng được giải phóng bởi màng gửi trước synap và thấm qua các thụ thể ở khoảng trống tp trên màng sau synap của nơron nhận. Sự liên kết của các chất dẫn truyền thần kinh với các thụ thể này có tác dụng cho phép các ion (các hạt mang điện) đi vào và ra khỏi tế bào nhận, như chúng ta đã thấy trong bài báo về dẫn truyền thần kinh.

Do đó, hướng bình thường của luồng thông tin là từ đầu cuối sợi trục đến nơron đích, đầu cuối sợi trục được cho là trước synap (mang thông tin về phía khớp thần kinh) và nơron đích được cho là sau khớp thần kinh (mang thông tin từ khớp thần kinh).

Loại khớp thần kinh điển hình và thường xuyên nhất là loại khớp thần kinh trong đó sợi trục của một tế bào thần kinh kết nối với tế bào thần kinh thứ hai bằng cách thường tiếp xúc với một trong các đuôi gai của nó hoặc với thân tế bào. Có hai cách để điều này có thể xảy ra: khớp thần kinh điện và hóa học.

Synapse điện


Một điểm nối khoảng cách. (a) Tế bào thần kinh của hai tế bào được kết nối
Hầu hết các khớp thần kinh của động vật có vú là hóa học, nhưng có một dạng khớp thần kinh đơn giản cho phép truyền trực tiếp dòng điện ion từ tế bào này sang tế bào khác. Các khớp thần kinh điện xảy ra tại các vị trí chuyên biệt được gọi là các điểm nối khoảng cách. Chúng tạo thành các kênh cho phép các ion đi trực tiếp từ tế bào chất của tế bào này sang tế bào chất của tế bào kia. Sự dẫn truyền tại các khớp thần kinh điện rất nhanh, do đó, một điện thế hoạt động trong tế bào thần kinh trước synap có thể tạo ra gần như ngay lập tức, một điện thế hoạt động trong tế bào thần kinh sau synap. Các khớp thần kinh điện trong CNS của động vật có vú, chủ yếu được tìm thấy ở các vị trí chuyên biệt, nơi các chức năng bình thường đòi hỏi hoạt động của các tế bào thần kinh lân cận phải được đồng bộ hóa cao. Mặc dù các điểm nối khoảng cách tương đối hiếm gặp giữa các tế bào thần kinh của động vật có vú trưởng thành, nhưng chúng rất phổ biến ở nhiều loại tế bào không phải tế bào thần kinh, bao gồm tế bào cơ tim trơn, tế bào biểu mô, một số tế bào tuyến, tế bào đệm, v.v ... Chúng cũng phổ biến ở nhiều động vật không xương sống.

Trong loại khớp thần kinh này, tín hiệu đến được truyền đi khi một tế bào thần kinh giải phóng chất dẫn truyền thần kinh vào khe tiếp hợp và được phát hiện bởi tế bào thần kinh thứ hai thông qua việc kích hoạt các thụ thể đặt đối diện với vị trí giải phóng.

Chất dẫn truyền thần kinh là các hóa chất được tạo ra bởi các tế bào thần kinh và được chúng sử dụng để truyền tín hiệu đến các tế bào thần kinh khác hoặc các tế bào không phải tế bào thần kinh (ví dụ: cơ tim cơ xương, tế bào tuyến tùng) mà chúng tạo ra bên trong.

Sự liên kết hóa học của chất dẫn truyền thần kinh với các thụ thể gây ra một loạt các thay đổi sinh lý trong tế bào thần kinh thứ hai tạo thành tín hiệu. Thông thường việc giải phóng tế bào thần kinh đầu tiên (được gọi là tiền synap) là do một loạt các sự kiện nội bào gây ra bởi sự khử cực màng của nó, và hầu như luôn luôn thay đổi khi điện thế hoạt động diễn ra.

Sơ đồ và hình ảnh vi mô của khớp thần kinh cơ của ruồi giấm.
1 - Túi khí synap 2 - Nơron trước synap (sợi trục tận cùng) 3 - Khe hở tiếp hợp 4 - Nơron sau synap.

Một số cơ chế phải tồn tại, theo đó điện thế hoạt động khiến chất dẫn truyền được lưu trữ trong các túi tiếp hợp bị đẩy ra khe hở.

Các loại khớp thần kinh hóa học

Có hai loại khớp thần kinh hóa học, tùy theo hiệu ứng mà nó gây ra đối với phần tử sau khớp thần kinh:

Chúng gây ra sự thay đổi điện kích thích trong điện thế sau synap (EPSP). Điều này xảy ra khi tác dụng thực của sự phóng thích chất phát là khử cực màng, đưa nó đến gần ngưỡng điện để kích hoạt điện thế hoạt động. Hiệu ứng này thường được thực hiện qua việc mở các kênh màng (loại lỗ đi qua màng tế bào) cho các ion natri và canxi.

Việc ghi lại điện thế màng đối với điện thế ức chế sau synap (IPSP: màu xanh lá cây) cho thấy sự tăng phân cực, tức là, sự lệch xuống trong đường dò, vì nó trở nên âm hơn điện thế nghỉ.

Các khớp thần kinh trong hệ thần kinh trung ương

Các mảng tiếp hợp trong thần kinh trung ương. MỘT. Một khớp thần kinh axodendritic, NS. một khớp thần kinh axosomatic. NS. Một khớp thần kinh axoxonic. Các loại khớp thần kinh khác nhau có thể được phân biệt bằng phần nào của tế bào thần kinh sau khớp thần kinh với đầu tận cùng của sợi trục. Nếu màng sau synap nằm trên đuôi gai, thì khớp thần kinh được cho là đuôi gai. Nếu màng sau synap nằm trên cơ thể tế bào, thì khớp thần kinh được cho là axosomatic. Trong một số trường hợp, màng sau synap nằm trên một sợi trục khác, và các khớp thần kinh này được gọi là axoaxonic. Trong một số tế bào thần kinh chuyên biệt nhất định, các đuôi gai thực sự tạo thành các khớp thần kinh với nhau, chúng được gọi là các khớp thần kinh dendrodendritic.

Chất dẫn truyền thần kinh: Sứ giả của não

Về mặt hóa học, chất dẫn truyền thần kinh là những phân tử tương đối nhỏ và đơn giản. Các loại tế bào khác nhau tiết ra các chất dẫn truyền thần kinh khác nhau. Mỗi chất hóa học trong não hoạt động ở những vị trí não phổ biến rộng rãi nhưng khá cụ thể và có thể có tác dụng khác nhau tùy theo nơi nó được kích hoạt. Khoảng 60 chất dẫn truyền thần kinh đã được xác định, và chúng chủ yếu rơi vào một trong bốn loại:

1) choline trong đó acetylcholine là chất quan trọng nhất

2) amin sinh học: serotonin, histamine và catecholamine - dopamine và norepinephrine

3) axit amin - glutamate và aspartate là những chất dẫn truyền kích thích nổi tiếng, trong khi axit gamma-aminobutyric (GABA), glycine và taurine là những chất dẫn truyền thần kinh ức chế.

4) neuropeptide, - những chuỗi này được hình thành bởi các chuỗi axit amin dài hơn (giống như một phân tử protein nhỏ). Hơn 50 trong số chúng được biết là xảy ra trong não, và nhiều trong số chúng được ngụ ý trong việc điều chế hoặc truyền thông tin thần kinh.

Các chất dẫn truyền thần kinh quan trọng và chức năng của chúng

Dopamine
Kiểm soát mức độ kích thích và kiểm soát vận động ở nhiều phần của não. Khi mức độ suy giảm nghiêm trọng trong bệnh Parkinson, bệnh nhân không thể tự ý di chuyển. LSD và các loại thuốc gây ảo giác khác được cho là hoạt động trên hệ thống dopamine.

Serotonin
Đây là chất dẫn truyền thần kinh được tăng cường bởi nhiều loại thuốc chống trầm cảm, chẳng hạn như Prozac, và do đó được gọi là chất dẫn truyền thần kinh 'cảm thấy tốt'. Nó có ảnh hưởng sâu sắc đến tâm trạng, lo lắng và gây hấn.

Acetylcholine (ACh)
Kiểm soát hoạt động trong các vùng não được kết nối với sự chú ý, học tập và trí nhớ. Những người bị bệnh Alzheimer thường có mức ACh thấp trong vỏ não và các loại thuốc tăng cường hoạt động của nó có thể cải thiện trí nhớ ở những bệnh nhân này.

Noradrenaline
Chủ yếu là một chất hóa học kích thích gây hưng phấn về thể chất và tinh thần và nâng cao tâm trạng. Sản xuất tập trung vào một khu vực của não được gọi là locus coreuleus, là một trong những ứng cử viên giả định cho trung tâm 'khoái cảm' của não. Khoa học y tế đã chứng minh rằng norepinephrine làm trung gian cho nhịp tim, huyết áp, tốc độ chuyển đổi glycogen (glucose) thành năng lượng, cũng như các lợi ích thể chất khác.

Glutamate
Chất dẫn truyền thần kinh kích thích chính của não, rất quan trọng để rèn các liên kết giữa các tế bào thần kinh là nền tảng của việc học và trí nhớ dài hạn.

Enkephalins và Endorphin
Đây là những chất dạng thuốc phiện, giống như ma túy heroine và morphine, điều chỉnh cơn đau, giảm căng thẳng, v.v. Họ có thể tham gia vào các cơ chế của sự phụ thuộc vật lý .


Giao diện não - máy

José del R. Millán, Serafeim Perdikis, trong Nguyên tắc Kỹ thuật Mô (Tái bản lần thứ Năm), 2020

Giới thiệu

Việc sử dụng các tín hiệu não để tương tác cũng như điều khiển robot và các bộ phận giả đã ngày càng được chú ý trong hai thập kỷ qua. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu đa ngành đang nổi lên nhanh chóng được gọi là giao diện não-máy (BMI), hoặc giao diện não-máy tính (BCIs), đã đạt được những thành tựu ấn tượng trong vài năm qua — nguyên mẫu để viết tin nhắn bằng bàn phím ảo [1–6], chơi trò chơi trí não [2,7–10] và thậm chí điều khiển rô bốt hoặc xe lăn [11–21 ]. Chỉ số BMI theo dõi hoạt động não của người dùng, trích xuất các tính năng cụ thể từ các tín hiệu não phản ánh ý định của đối tượng và chuyển ý định của họ thành hành động — chẳng hạn như đóng tay giả hoặc chọn một chữ cái từ bàn phím ảo — mà không sử dụng hoạt động của bất kỳ cơ hoặc dây thần kinh ngoại vi nào [22]. Nguyên lý trung tâm của chỉ số BMI là khả năng phân biệt giữa các mô hình hoạt động khác nhau của não, mỗi mô hình liên quan đến một ý định hoặc nhiệm vụ trí óc cụ thể. Do đó, thích ứng là một thành phần quan trọng của chỉ số BMI, bởi vì, một mặt, người dùng phải học cách điều chỉnh sóng não của họ để tạo ra các mô hình não riêng biệt, trong khi, mặt khác, các kỹ thuật học máy phải khám phá các mô hình não riêng lẻ đặc trưng các tác vụ tinh thần do người dùng thực hiện. Chương này giới thiệu lĩnh vực BMI, đặc biệt tập trung vào các nguyên tắc hoạt động lâu dài và đáng tin cậy của các tế bào thần kinh. Để biết chi tiết hơn về BMI, bạn đọc quan tâm có thể tham khảo [22–24].

Công nghệ BMI cung cấp một cách tự nhiên để khôi phục, thay thế hoặc tăng cường khả năng của con người bằng cách cung cấp một liên kết tương tác mới với thế giới bên ngoài. Về mặt này, nó đặc biệt có liên quan như một sự trợ giúp cho những bệnh nhân bị khuyết tật thần kinh cơ nặng, mặc dù nó cũng mở ra những khả năng mới trong tương tác giữa người và máy cho những người có cơ thể [25]. Hình. 57.1 cho thấy kiến ​​trúc chung của một thiết bị hoạt động bằng não như các chất hỗ trợ thần kinh để phục hồi và phục hồi vận động. Hoạt động của não, tín hiệu điện não đồ (EEG) trong ví dụ này, được ghi lại bằng một thiết bị cầm tay. Các tín hiệu thô này trước tiên được xử lý để trích xuất một số tính năng có liên quan, sau đó được chuyển sang mô hình toán học (ví dụ: bộ phân loại / hồi quy thống kê hoặc mạng thần kinh). Mô hình này tính toán, sau một số quá trình đào tạo, trong đó nó tìm thấy các mẫu nguyên mẫu của hoạt động não liên quan đến mỗi lệnh tinh thần, ý định của người dùng được chuyển thành một hành động thích hợp để điều khiển thiết bị. Cuối cùng, phản hồi trực quan, và có thể là các loại khác như kích thích xúc giác [26,27], kích thích ngoại vi [28], hoặc kích thích vi thể trong thực tế [29-31], thông báo cho đối tượng về hiệu suất của tế bào thần kinh để họ có thể học tinh thần thích hợp. kiểm soát các chiến lược và thực hiện các thay đổi nhanh chóng để đạt được nhiệm vụ.

Hình 57.1. Kiến trúc chung của BMI để điều khiển các thiết bị như máy chỉnh hình tay hoặc xe lăn có động cơ. Trong trường hợp này, BMI đo các tín hiệu EEG được ghi lại từ các điện cực đặt trên da đầu của đối tượng. BMI, Giao diện não-máy. Điện não đồ, điện não đồ.

Chương này được sắp xếp như sau: trước tiên, chúng ta sẽ xem xét các loại tín hiệu não khác nhau có thể được ghi lại làm đầu vào cho chỉ số BMI. Sau đó, chúng ta sẽ thảo luận về một loạt các nguyên tắc để xây dựng chỉ số BMI hiệu quả mà không phụ thuộc vào tín hiệu lựa chọn cụ thể. Những nguyên tắc này liên quan đến bản chất của điện não tương quan phù hợp hơn để điều khiển các thiết bị thẩm mỹ thần kinh và thúc đẩy phục hồi chức năng vận động, sử dụng các kỹ thuật học máy và thiết kế các chỉ số BMI nhận biết ngữ cảnh. Chúng tôi sẽ kết thúc thảo luận về một số hướng nghiên cứu trong tương lai trong lĩnh vực BMI.


Kính hiển vi tốc độ cao ghi lại các tín hiệu não thoáng qua

Các tín hiệu điện và hóa học liên tục nhấp nháy trong não của chúng ta khi chúng ta di chuyển khắp thế giới, nhưng sẽ cần một máy ảnh tốc độ cao và một cửa sổ vào não để ghi lại những con đường thoáng qua của chúng.

Đại học California, Berkeley, các nhà điều tra hiện đã chế tạo một chiếc camera như vậy: một chiếc kính hiển vi có thể ghi lại hình ảnh não của một con chuột cảnh báo 1.000 lần một giây, lần đầu tiên ghi lại sự truyền xung điện mili giây qua các tế bào thần kinh.

Trưởng nhóm nghiên cứu Na Ji, phó giáo sư vật lý và sinh học phân tử và tế bào của UC Berkeley cho biết: “Điều này thực sự thú vị, bởi vì giờ đây chúng tôi có thể làm điều gì đó mà mọi người thực sự không thể làm được.

Kỹ thuật hình ảnh mới kết hợp giữa kính hiển vi huỳnh quang hai photon và quét laser toàn quang trong một kính hiển vi hiện đại có thể hình ảnh một lát cắt hai chiều qua vỏ não chuột lên đến 3.000 lần mỗi giây. Điều đó đủ nhanh để theo dõi các tín hiệu điện chạy qua các mạch não.

Với kỹ thuật này, các nhà khoa học thần kinh như Ji giờ đây có thể theo dõi các tín hiệu điện khi chúng truyền qua não và cuối cùng tìm kiếm các vấn đề truyền dẫn liên quan đến bệnh tật.

Một ưu điểm chính của kỹ thuật này là nó sẽ cho phép các nhà khoa học thần kinh theo dõi hàng trăm đến hàng chục nghìn đầu vào mà bất kỳ tế bào não nhất định nào nhận được từ các tế bào não khác, bao gồm cả những đầu vào không kích hoạt tế bào phát hỏa. Các đầu vào ngưỡng phụ này - kích thích hoặc ức chế tế bào thần kinh - dần dần cộng lại thành đỉnh siêu việt kích hoạt tế bào kích hoạt điện thế hoạt động, truyền thông tin cùng với các tế bào thần kinh khác.

Từ điện cực đến hình ảnh huỳnh quang

Phương pháp điển hình để ghi lại quá trình bắn điện trong não, thông qua các điện cực được nhúng trong mô, chỉ phát hiện ra các vết phồng rộp từ một vài tế bào thần kinh khi sự thay đổi điện áp mili giây đi qua. Kỹ thuật mới có thể xác định chính xác tế bào thần kinh đang kích hoạt thực sự và đi theo đường dẫn của tín hiệu, từng phần nghìn giây.

Hình ảnh nhanh & # 8211 một nghìn lần mỗi giây & # 8212 cho thấy hoạt động điện tự phát trong bốn tế bào thần kinh riêng biệt 75 micron bên trong não của một con chuột cảnh báo. Đây là một lát dày 3 micron xuyên qua vỏ não mới & # 8211 mỏng đến mức thân tế bào của tế bào thần kinh chỉ được nhìn thấy trong mặt cắt ngang, dưới dạng một vòng tròn. (Hình ảnh UC Berkeley của Na Ji)

Ji, một thành viên của Viện Khoa học Thần kinh tại UC Berkeley’s Helen Wills, cho biết: “Trong các căn bệnh, nhiều thứ đang xảy ra, thậm chí trước khi bạn có thể nhìn thấy các tế bào thần kinh hoạt động, như tất cả các sự kiện dưới ngưỡng. “Chúng tôi chưa bao giờ xem xét một loại bệnh sẽ thay đổi như thế nào với đầu vào dưới ngưỡng. Bây giờ, chúng tôi có cách xử lý để giải quyết vấn đề đó ”.

Ji và các đồng nghiệp của cô ấy đã báo cáo kỹ thuật hình ảnh mới trong số tháng 3 của tạp chí Phương pháp Tự nhiên. Trong cùng một số báo, bà và các đồng nghiệp khác cũng đã xuất bản một bài báo chứng minh một kỹ thuật khác để hình ảnh tín hiệu canxi trên phần lớn toàn bộ bán cầu não chuột cùng một lúc, một kỹ thuật sử dụng “kính trung gian” có góc nhìn rộng với hai. -photon và quét lấy nét Bessel. Nồng độ canxi có liên quan đến sự thay đổi điện áp khi tín hiệu được truyền qua não.

Ji nói: “Đây là lần đầu tiên có người cho thấy hoạt động thần kinh của một khối lượng lớn như vậy trong não ở không gian ba chiều, vượt xa những gì các điện cực có thể làm được. "Hơn nữa, phương pháp tiếp cận hình ảnh của chúng tôi cung cấp cho chúng tôi khả năng phân giải các khớp thần kinh của mỗi tế bào thần kinh."

Các khớp thần kinh là những điểm mà các chất dẫn truyền thần kinh được giải phóng bởi một tế bào thần kinh để kích thích hoặc ức chế một tế bào thần kinh khác.

Một trong những mục tiêu của Ji là tìm hiểu cách các tế bào thần kinh tương tác trên các khu vực lớn của não và cuối cùng xác định vị trí các mạch bị bệnh có liên quan đến rối loạn não.

Ji nói: “Trong các bệnh rối loạn não, bao gồm cả bệnh thoái hóa thần kinh, không chỉ một tế bào thần kinh đơn lẻ hoặc một vài tế bào thần kinh bị bệnh. “Vì vậy, nếu bạn thực sự muốn hiểu những căn bệnh này, bạn muốn có thể xem xét càng nhiều tế bào thần kinh càng tốt trên các vùng não khác nhau. Với phương pháp này, chúng ta có thể có được một bức tranh toàn cầu hơn nhiều về những gì đang xảy ra trong não bộ ”.

Kính hiển vi hai photon

Ji và các đồng nghiệp của cô có thể nhìn xuyên vào não nhờ các đầu dò có thể được ghim vào các loại tế bào cụ thể và phát quang khi môi trường thay đổi. Ví dụ, để theo dõi sự thay đổi điện áp trong tế bào thần kinh, nhóm của cô đã sử dụng một cảm biến được phát triển bởi đồng tác giả Michael Lin của Đại học Stanford, nó trở nên huỳnh quang khi màng tế bào khử cực khi tín hiệu điện áp lan truyền dọc theo màng tế bào.

Sử dụng kính hiển vi huỳnh quang hai photon với trường nhìn cực lớn, các nhà nghiên cứu của UC Berkeley đã chụp ảnh các tế bào thần kinh (màu xanh lá cây) trong một phần lớn của vỏ não của một con chuột sống. Khu vực hiển thị các tế bào thần kinh có thể tích 4,2 mm x 4,2 mm x 100 micron. Các nhánh tối là mạch máu. (Hình ảnh UC Berkeley của Na Ji)

Sau đó, các nhà nghiên cứu chiếu sáng các đầu dò huỳnh quang này bằng tia laser hai photon, làm cho chúng phát ra ánh sáng hoặc huỳnh quang, nếu chúng đã được kích hoạt. Ánh sáng phát ra được kính hiển vi thu lại và kết hợp thành hình ảnh 2D cho thấy vị trí của sự thay đổi điện áp hoặc sự hiện diện của một chất hóa học cụ thể, chẳng hạn như ion tín hiệu, canxi.

Bằng cách quét nhanh tia laser qua não, giống như một chiếc đèn pin chiếu dần cảnh bên trong một căn phòng tối, các nhà nghiên cứu có thể thu được hình ảnh của một lớp mỏng duy nhất của tân vỏ não. Nhóm nghiên cứu có thể thực hiện 1.000 đến 3.000 lần quét 2D đầy đủ của một lớp não duy nhất mỗi giây bằng cách thay thế một trong hai gương quay của tia laser bằng một gương quang học - một kỹ thuật được gọi là độ trễ tăng cường góc cạnh trong không gian tự do (FACED). FACED được phát triển bởi đồng tác giả bài báo Kevin Tsia tại Đại học Hồng Kông.

Hình ảnh kilohertz không chỉ cho thấy sự thay đổi điện áp mili giây mà còn thay đổi chậm hơn nồng độ canxi và glutamate, một chất dẫn truyền thần kinh, sâu tới 350 micrômet (một phần ba milimet) từ bề mặt não.

Để có được hình ảnh 3D nhanh chóng về sự di chuyển của canxi qua các tế bào thần kinh, cô đã kết hợp kính hiển vi huỳnh quang hai photon với một kỹ thuật khác, quét tiêu điểm Bessel. Để tránh tốn thời gian quét từng lớp dày cỡ micromet của tân vỏ não, tiêu điểm kích thích của laser hai photon được định hình từ một điểm đến một hình trụ nhỏ, giống như một chiếc bút chì, có chiều dài khoảng 100 micromet. Chùm bút chì này sau đó được quét ở sáu độ sâu khác nhau qua não và các hình ảnh huỳnh quang được kết hợp để tạo ra hình ảnh 3D. Điều này cho phép quét nhanh hơn mà ít bị mất thông tin vì trong mỗi tập giống như bút chì, thường chỉ có một tế bào thần kinh hoạt động bất kỳ lúc nào. Kính trung gian có thể hình ảnh một khu vực có đường kính khoảng 5 mm - gần 1/4 bán cầu não chuột - và sâu 650 micron, gần với độ sâu đầy đủ của tân vỏ não, nơi có liên quan đến quá trình xử lý thông tin phức tạp.

“Sử dụng các phương pháp thông thường, chúng tôi sẽ phải quét 300 hình ảnh để bao phủ tập này, nhưng với một chùm tia kéo dài thu gọn tập xuống một mặt phẳng, chúng tôi chỉ cần quét sáu hình ảnh, có nghĩa là bây giờ chúng tôi có thể có một thể tích đủ nhanh Ji nói.

Ji hiện đang nghiên cứu kết hợp bốn kỹ thuật - kính hiển vi huỳnh quang hai photon, hội tụ chùm tia Bessel, FACED và quang học thích ứng - để đạt được hình ảnh tốc độ cao, độ nhạy cao nằm sâu trong vỏ não, dày khoảng 1 mm.

“Như một cách để hiểu về não bộ, ước mơ của tôi là kết hợp các kỹ thuật kính hiển vi này để có được độ phân giải không gian submicron để chúng tôi có thể nhìn thấy các khớp thần kinh, độ phân giải thời gian mili giây cho hình ảnh điện áp và nhìn thấy tất cả những thứ này nằm sâu trong não”, cô nói thêm . “Điều phức tạp và đầy thách thức đối với bộ não là, nếu bạn chỉ làm một phần quang học duy nhất, theo cách bạn không thể có được một bức tranh hoàn chỉnh, bởi vì mạng nơ-ron rất nhiều không gian ba chiều.”

Các đồng tác giả trên bài báo về hình ảnh điện áp với Ji, Lin và Tsia là Jianglai Wu và Shuo Chen của UC Berkeley, Yajie Liang và Ching-Lung Hsu của Học viện Y khoa Howard Hughes (HHMI) Janelia Research Campus ở Virginia, và Mariya Chavarha, Stephen Evans và Dongqing Shi của Stanford.

Đồng tác giả với Ji trên bài báo hình ảnh canxi là đồng tác giả đầu tiên Rongwen Lu và Yajie Liang của Janelia và Guanghan Meng của UC Berkeley Pengcheng Zhou và Liam Paninski của Đại học Columbia và Karel Svoboda của Janelia.

Công việc của Ji được hỗ trợ bởi HHMI và Viện Quốc gia về Rối loạn Thần kinh và Đột quỵ thuộc Viện Y tế Quốc gia (U01NS103489, UF1NS107696).


Dẫn truyền thần kinh

Nếu bạn cần thực hiện tốt nhất, cần tập trung, giải quyết vấn đề hoặc duy trì một tư duy bình tĩnh và rõ ràng, bạn sẽ nhận được lợi ích to lớn từ việc sử dụng Mind Lab Pro.

Những lợi ích

  • Tập trung tốt hơn
  • Tư duy bình tĩnh
  • 55+ trí nhớ và tâm trạng
  • Vận động viên tập trung vào hiệu suất
  • Học sinh học tập

Cơ thể của chúng ta được điều khiển bởi bộ não của chúng ta. Bạn đã bao giờ nghĩ về thứ điều khiển bộ não của chúng ta chưa? Bộ não có cần cơ chế điều khiển nào đó không? Đó là những gì các nhà khoa học đã nghĩ cách đây rất lâu từ nơi bắt nguồn khái niệm về dẫn truyền thần kinh.

Chà, nó không chỉ là một khái niệm, nó còn là một khám phá. Henry Hallett Dale là người đã phát hiện ra acetylcholine. Acetylcholine là một trong những chất dẫn truyền thần kinh dồi dào nhất trong não. Đó là cách chúng ta biết về sự dẫn truyền thần kinh.


Trừu tượng

Các mạng não thể hiện sự kết nối chức năng rất đa dạng và linh hoạt và các cấu hình trao đổi thông tin linh hoạt mặc dù cấu trúc tổng thể của chúng cố định. Các dao động não được giả thuyết là cơ sở cho sự kết nối chức năng phụ thuộc vào thời gian bằng cách thay đổi định kỳ tính dễ bị kích thích của các quần thể thần kinh. Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu vai trò của độ trễ kết nối và sự cản trở giữa các tần số tự nhiên của quần thể thần kinh trong việc truyền tín hiệu. Dựa trên các mô phỏng số và lập luận phân tích, chúng tôi chỉ ra rằng lượng truyền thông tin giữa hai quần thể thần kinh dao động có thể được xác định bởi độ trễ kết nối của chúng và sự không phù hợp trong tần số dao động của chúng. Kết quả của chúng tôi làm nổi bật vai trò của đường cong đáp ứng pha chung của các quần thể thần kinh dao động đối với hiệu quả truyền tín hiệu và chất lượng truyền thông tin trong mạng não.


Đóng băng chụp cho thấy cấu trúc trung thực hơn của các kết nối não

Mô hình 3-D của các tua gai (màu tím) tạo nên các khớp thần kinh với các sợi trục chứa các túi (màu vàng). Nền hiển thị hình ảnh kính hiển vi điện tử của mô não. Tín dụng: Graham Knott (EPFL)

Các nhà khoa học tại EPFL đã sử dụng phương pháp đóng băng nhanh để tiết lộ cấu trúc thực sự của các kết nối liên kết các tế bào thần kinh với nhau trong não người lớn.

Hầu hết các kết nối synap trong não người lớn đều nằm trên các gai nhỏ, dài cỡ micromet, phần nhô ra từ bề mặt tế bào thần kinh. Kích thước và hình dạng chính xác của gai xác định mức độ truyền tín hiệu từ nơ-ron này sang nơ-ron khác.

Những chi tiết này trở nên rất quan trọng khi các nhà khoa học thần kinh muốn mô hình hóa các mạch não hoặc hiểu cách thông tin được truyền giữa các nơ-ron qua các mạch thần kinh của não. Tuy nhiên, kích thước nhỏ bé của chúng và những khó khăn trong việc bảo quản mô não ở trạng thái tự nhiên luôn khiến câu hỏi bỏ ngỏ về cấu trúc thực sự của cột sống đuôi gai là gì.

Các nhà khoa học từ Trường Khoa học Đời sống của EPFL hiện đã sử dụng phương pháp đóng băng nhanh của các tia nitơ lỏng, kết hợp với áp suất rất cao, để bảo quản tức thì các mảnh mô não nhỏ. Các nhà nghiên cứu, từ phòng thí nghiệm của Graham Knott và Carl Petersen, sau đó sử dụng hình ảnh 3-D có độ phân giải cao với kính hiển vi điện tử để tiết lộ cấu trúc gai đuôi gai thực sự tương tự như thế nào trong các nghiên cứu trước đây, ngoại trừ một khía cạnh quan trọng: phương pháp đông lạnh tức thì cho thấy các gai đuôi gai với cổ mỏng hơn đáng kể.

Phát hiện này xác nhận một lượng đáng kể dữ liệu lý thuyết và chức năng trong nhiều năm, cho thấy rằng các gai của đuôi gai là chất hóa học, cũng như điện, các ngăn cách ly với phần còn lại của tế bào thần kinh bởi một chiếc cổ mỏng và có sức đề kháng cao. Sự thay đổi về đường kính cổ có tác động quan trọng đến cách một khớp thần kinh ảnh hưởng đến phần còn lại của tế bào thần kinh.

Graham Knott cho biết: “Ngoài việc tiết lộ hình dạng thực sự của những cấu trúc não quan trọng này, công trình này còn nêu bật tính hữu ích của phương pháp đóng băng nhanh và kính hiển vi điện tử để có được cái nhìn chi tiết hơn về kiến ​​trúc của tế bào và mô,” Graham Knott nói.


Kiểm soát tâm trí bằng điện thoại di động

Tín hiệu điện từ từ điện thoại di động có thể thay đổi sóng não và hành vi của bạn. Nhưng đừng phá vỡ tấm chắn đầu bằng lá nhôm.

Các bệnh viện và máy bay cấm sử dụng điện thoại di động, vì quá trình truyền điện từ của chúng có thể gây nhiễu các thiết bị điện nhạy cảm. Bộ não cũng có thể thuộc loại đó sao? Tất nhiên, tất cả những suy nghĩ, cảm giác và hành động của chúng ta đều phát sinh từ điện sinh học do tế bào thần kinh tạo ra và truyền qua các mạch thần kinh phức tạp bên trong hộp sọ của chúng ta.Các tín hiệu điện giữa các tế bào thần kinh tạo ra điện trường bức xạ ra khỏi mô não dưới dạng sóng điện có thể được thu nhận bằng các điện cực chạm vào da đầu của một người. Các phép đo sóng não như vậy trong điện não đồ cung cấp cái nhìn sâu sắc về chức năng não và là một công cụ chẩn đoán có giá trị cho các bác sĩ. Thật vậy, rất cơ bản là sóng não đối với hoạt động bên trong của tâm trí, chúng đã trở thành định nghĩa pháp lý tối thượng vẽ ranh giới giữa sự sống và cái chết.

Sóng não thay đổi theo hoạt động tinh thần có ý thức và vô thức của một người khỏe mạnh và trạng thái hưng phấn. Nhưng các nhà khoa học có thể làm được nhiều việc hơn với sóng não thay vì chỉ lắng nghe não bộ khi làm việc - họ có thể kiểm soát chức năng não một cách có chọn lọc bằng cách kích thích từ trường xuyên sọ (TMS). Kỹ thuật này sử dụng các xung bức xạ điện từ mạnh mẽ chiếu vào não của một người để làm nhiễu hoặc kích thích các mạch não cụ thể.

Mặc dù điện thoại di động kém hơn nhiều so với TMS, câu hỏi vẫn còn đó: Liệu các tín hiệu điện từ điện thoại có thể ảnh hưởng đến một số sóng não nhất định hoạt động cộng hưởng với tần số truyền dẫn của điện thoại di động không? Rốt cuộc, vỏ não của người gọi chỉ cách bức xạ phát ra từ ăng-ten của điện thoại chỉ vài cm. Hai nghiên cứu cung cấp một số tin tức tiết lộ.

Cuộc đầu tiên, do Rodney Croft, thuộc Viện Khoa học Não bộ, Đại học Công nghệ Swinburne ở Melbourne, Australia, đứng đầu, đã thử nghiệm liệu việc truyền qua điện thoại di động có thể làm thay đổi sóng não của một người hay không. Các nhà nghiên cứu đã theo dõi sóng não của 120 người đàn ông và phụ nữ khỏe mạnh trong khi điện thoại di động Nokia 6110 & mdashone của những điện thoại di động phổ biến nhất trên thế giới & mdashwas đeo trên đầu họ. Một máy tính điều khiển đường truyền của điện thoại trong một thiết kế thí nghiệm mù đôi, có nghĩa là cả đối tượng thử nghiệm và các nhà nghiên cứu đều không biết điện thoại di động đang truyền hay không hoạt động trong khi dữ liệu EEG được thu thập. Dữ liệu cho thấy rằng khi điện thoại di động đang truyền, sức mạnh của một dạng sóng não đặc trưng gọi là sóng alpha trong não của người đó được tăng cường đáng kể. Hoạt động của sóng alpha tăng lên nhiều nhất ở mô não ngay bên dưới điện thoại di động, củng cố lớp vỏ mà điện thoại chịu trách nhiệm về hiệu ứng quan sát được.

Alpha Waves of Brain
Sóng alpha dao động với tốc độ từ 8 đến 12 chu kỳ mỗi giây (Hertz). Những sóng não này phản ánh trạng thái hưng phấn và chú ý của một người. Sóng alpha thường được coi là một chỉ báo về sự giảm thiểu nỗ lực trí óc, & quot; không hoạt động trên vỏ & quot hoặc tâm trí lang thang. Nhưng quan điểm thông thường này có lẽ là một sự đơn giản hóa quá mức. Ví dụ, Croft lập luận rằng làn sóng alpha đang thực sự điều chỉnh sự chuyển dịch sự chú ý giữa đầu vào bên ngoài và bên trong. Sóng alpha tăng sức mạnh khi một người chuyển ý thức của mình về thế giới bên ngoài sang những suy nghĩ bên trong, chúng cũng là dấu hiệu sóng não quan trọng của giấc ngủ.

Điện thoại di động Mất ngủ
Nếu tín hiệu điện thoại di động thúc đẩy sóng alpha của một người, liệu điều này có thúc đẩy họ thăng hoa vào trạng thái ý thức bị thay đổi hay có bất kỳ ảnh hưởng nào đến hoạt động của tâm trí họ có thể quan sát được trong hành vi của một người không? Trong nghiên cứu thứ hai, James Horne và các đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu Giấc ngủ của Đại học Loughborough, Anh đã nghĩ ra một thí nghiệm để kiểm tra câu hỏi này. Kết quả thật đáng ngạc nhiên. Các tín hiệu điện thoại di động không chỉ có thể thay đổi hành vi của một người trong cuộc gọi, ảnh hưởng của các mô hình sóng não bị gián đoạn còn tiếp tục kéo dài sau khi điện thoại tắt.

& quotĐây là một phát hiện hoàn toàn bất ngờ, & quot Horne nói với tôi. & quotChúng tôi không nghi ngờ bất kỳ ảnh hưởng nào đến EEG [sau khi tắt điện thoại]. Chúng tôi quan tâm đến việc nghiên cứu tác động của tín hiệu điện thoại di động đối với giấc ngủ. & Quot Nhưng Horne và các đồng nghiệp nhanh chóng nhận ra rằng khi chuẩn bị cho các thí nghiệm nghiên cứu giấc ngủ, một số đối tượng thử nghiệm khó ngủ.

Horne và các đồng nghiệp của ông đã điều khiển một chiếc điện thoại di động Nokia 6310e & mdasha một chiếc điện thoại cơ bản và phổ biến khác & mdashat được gắn vào đầu của 10 người đàn ông khỏe mạnh nhưng thiếu ngủ trong phòng nghiên cứu giấc ngủ của họ. (Giấc ngủ của họ đã bị hạn chế trong sáu giờ vào đêm hôm trước.) Sau đó, các nhà nghiên cứu theo dõi sóng não của nam giới bằng điện não đồ trong khi điện thoại được bật và tắt bằng máy tính từ xa, đồng thời chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động & quotstandby, & quot & quotlisten & quot và & quottalk & quot trong 30 khoảng thời gian phút vào các đêm khác nhau. Thử nghiệm cho thấy rằng sau khi điện thoại được chuyển sang chế độ & quottalk & quot, một dạng sóng não khác, được gọi là sóng delta (trong phạm vi từ một đến bốn Hertz), vẫn bị giảm độ ẩm trong gần một giờ sau khi điện thoại tắt. Các sóng não này là dấu hiệu nhạy cảm và đáng tin cậy nhất của giấc ngủ giai đoạn hai & mdasha chiếm khoảng 50% tổng số giấc ngủ bao gồm giai đoạn này & mdashand các đối tượng vẫn tỉnh táo gấp đôi sau khi điện thoại truyền ở chế độ đàm thoại bị tắt. Mặc dù các đối tượng kiểm tra đã bị mất ngủ vào đêm hôm trước, họ không thể ngủ trong gần một giờ sau khi điện thoại hoạt động mà họ không hề hay biết.

Mặc dù nghiên cứu này cho thấy rằng việc truyền qua điện thoại di động có thể ảnh hưởng đến sóng não của một người với những tác động dai dẳng đến hành vi, Horne không cảm thấy cần phải lo lắng rằng điện thoại di động đang gây hại. Các tác động kích thích mà các nhà nghiên cứu đo được tương đương với khoảng nửa tách cà phê và nhiều yếu tố khác trong môi trường xung quanh của một người sẽ ảnh hưởng đến giấc ngủ của một người nhiều hơn hoặc nhiều hơn so với việc truyền qua điện thoại di động.

& quot; Ý nghĩa của nghiên cứu, & quot, anh ấy giải thích, là mặc dù công suất điện thoại di động thấp, & bức xạ điện từ vẫn có thể ảnh hưởng đến hành vi tinh thần khi truyền ở tần số thích hợp. & quot Anh ấy nhận thấy điều này đặc biệt đáng chú ý khi xem xét rằng mọi người đang ở xung quanh bởi sự lộn xộn điện từ phát ra từ tất cả các loại thiết bị điện tử trong thế giới hiện đại của chúng ta. Điện thoại di động ở chế độ đàm thoại dường như được điều chỉnh đặc biệt tốt với các tần số ảnh hưởng đến hoạt động của sóng não. & quotCác kết quả cho thấy độ nhạy đối với bức xạ mức thấp ở một mức độ nhỏ. Những phát hiện này mở ra cánh cửa cho nhiều nghiên cứu tiếp theo. Người ta chỉ tự hỏi liệu với các liều lượng, thời lượng khác nhau hoặc các thiết bị khác, liệu có tác dụng lớn hơn không? & Quot

Croft of Swinburne nhấn mạnh rằng không có lo lắng về sức khỏe từ những phát hiện mới này. & quot Điều thú vị về nghiên cứu này là nó cho phép chúng ta xem xét cách bạn có thể điều chỉnh chức năng não và [cái nhìn] này cho chúng ta biết điều gì đó về cách bộ não hoạt động ở mức độ cơ bản. & quot Nói cách khác, tầm quan trọng của công việc này là làm sáng tỏ các hoạt động cơ bản của các nhà khoa học não bộ giờ đây có thể tách ra khỏi sóng điện từ tự tạo ra của chính họ và tìm hiểu rất nhiều về cách sóng não phản ứng và những gì chúng làm.

Mind Matters được biên tập bởi Jonah Lehrer, nhà văn khoa học đứng sau blog The Frontal Cortex và cuốn sách Proust was a Neuroscientist.


Kiểm soát tâm trí bằng điện thoại di động

Tín hiệu điện từ từ điện thoại di động có thể thay đổi sóng não và hành vi của bạn. Nhưng đừng phá vỡ tấm chắn đầu bằng lá nhôm.

Các bệnh viện và máy bay cấm sử dụng điện thoại di động, vì quá trình truyền điện từ của chúng có thể gây nhiễu các thiết bị điện nhạy cảm. Bộ não cũng có thể thuộc loại đó sao? Tất nhiên, tất cả những suy nghĩ, cảm giác và hành động của chúng ta đều phát sinh từ điện sinh học do tế bào thần kinh tạo ra và truyền qua các mạch thần kinh phức tạp bên trong hộp sọ của chúng ta. Các tín hiệu điện giữa các tế bào thần kinh tạo ra điện trường bức xạ ra khỏi mô não dưới dạng sóng điện có thể được thu nhận bằng các điện cực chạm vào da đầu của một người. Các phép đo sóng não như vậy trong điện não đồ cung cấp cái nhìn sâu sắc về chức năng não và là một công cụ chẩn đoán có giá trị cho các bác sĩ. Thật vậy, rất cơ bản là sóng não đối với hoạt động bên trong của tâm trí, chúng đã trở thành định nghĩa pháp lý tối thượng vẽ ranh giới giữa sự sống và cái chết.

Sóng não thay đổi theo hoạt động tinh thần có ý thức và vô thức của một người khỏe mạnh và trạng thái hưng phấn. Nhưng các nhà khoa học có thể làm được nhiều việc hơn với sóng não thay vì chỉ lắng nghe não bộ khi làm việc - họ có thể kiểm soát chức năng não một cách có chọn lọc bằng cách kích thích từ trường xuyên sọ (TMS). Kỹ thuật này sử dụng các xung bức xạ điện từ mạnh mẽ chiếu vào não của một người để làm nhiễu hoặc kích thích các mạch não cụ thể.

Mặc dù điện thoại di động kém hơn nhiều so với TMS, câu hỏi vẫn còn đó: Liệu các tín hiệu điện từ điện thoại có thể ảnh hưởng đến một số sóng não hoạt động cộng hưởng với tần số truyền dẫn của điện thoại di động không? Rốt cuộc, vỏ não của người gọi chỉ cách bức xạ phát ra từ ăng-ten của điện thoại chỉ vài cm. Hai nghiên cứu cung cấp một số tin tức tiết lộ.

Cuộc đầu tiên, do Rodney Croft, thuộc Viện Khoa học Não bộ, Đại học Công nghệ Swinburne ở Melbourne, Australia, đứng đầu, đã thử nghiệm liệu việc truyền qua điện thoại di động có thể làm thay đổi sóng não của một người hay không. Các nhà nghiên cứu đã theo dõi sóng não của 120 người đàn ông và phụ nữ khỏe mạnh trong khi điện thoại di động Nokia 6110 & mdashone của những điện thoại di động phổ biến nhất trên thế giới & mdashwas được đeo trên đầu họ. Một máy tính điều khiển đường truyền của điện thoại trong một thiết kế thí nghiệm mù đôi, có nghĩa là cả đối tượng thử nghiệm và các nhà nghiên cứu đều không biết điện thoại di động đang truyền hay không hoạt động trong khi dữ liệu EEG được thu thập. Dữ liệu cho thấy rằng khi điện thoại di động đang truyền, sức mạnh của một dạng sóng não đặc trưng gọi là sóng alpha trong não của người đó đã được tăng cường đáng kể. Hoạt động của sóng alpha tăng cao nhất ở mô não ngay bên dưới điện thoại di động, củng cố lớp vỏ mà điện thoại chịu trách nhiệm về hiệu ứng quan sát được.

Alpha Waves of Brain
Sóng alpha dao động với tốc độ từ 8 đến 12 chu kỳ mỗi giây (Hertz). Những sóng não này phản ánh trạng thái hưng phấn và chú ý của một người. Sóng alpha thường được coi là một chỉ báo cho thấy sự giảm thiểu nỗ lực trí óc, & quot; không hoạt động trên vỏ & quot hoặc tâm trí lang thang. Nhưng quan điểm thông thường này có lẽ là một sự đơn giản hóa quá mức. Ví dụ, Croft lập luận rằng làn sóng alpha đang thực sự điều chỉnh sự chuyển dịch sự chú ý giữa đầu vào bên ngoài và bên trong. Sóng alpha tăng sức mạnh khi một người chuyển ý thức của mình về thế giới bên ngoài sang những suy nghĩ bên trong, chúng cũng là dấu hiệu sóng não quan trọng của giấc ngủ.

Điện thoại di động Mất ngủ
Nếu tín hiệu điện thoại di động thúc đẩy sóng alpha của một người, liệu điều này có thúc đẩy họ thăng hoa vào trạng thái ý thức bị thay đổi hay có bất kỳ ảnh hưởng nào đến hoạt động của tâm trí họ có thể quan sát được trong hành vi của một người không? Trong nghiên cứu thứ hai, James Horne và các đồng nghiệp tại Trung tâm Nghiên cứu Giấc ngủ của Đại học Loughborough, Anh đã nghĩ ra một thí nghiệm để kiểm tra câu hỏi này. Kết quả thật đáng ngạc nhiên. Các tín hiệu điện thoại di động không chỉ có thể thay đổi hành vi của một người trong cuộc gọi, ảnh hưởng của các mô hình sóng não bị gián đoạn còn tiếp tục kéo dài sau khi điện thoại tắt.

& quotĐây là một phát hiện hoàn toàn bất ngờ, & quot Horne nói với tôi. & quotChúng tôi không nghi ngờ bất kỳ ảnh hưởng nào đến EEG [sau khi tắt điện thoại]. Chúng tôi quan tâm đến việc nghiên cứu tác động của tín hiệu điện thoại di động đối với giấc ngủ. & Quot Nhưng Horne và các đồng nghiệp nhanh chóng nhận ra rằng khi chuẩn bị cho các thí nghiệm nghiên cứu giấc ngủ, một số đối tượng thử nghiệm khó ngủ.

Horne và các đồng nghiệp của ông đã điều khiển một chiếc điện thoại di động Nokia 6310e & mdasha một chiếc điện thoại cơ bản và phổ biến khác & mdashat được gắn vào đầu của 10 người đàn ông khỏe mạnh nhưng thiếu ngủ trong phòng nghiên cứu giấc ngủ của họ. (Giấc ngủ của họ đã bị giới hạn trong sáu giờ vào đêm hôm trước.) Sau đó, các nhà nghiên cứu theo dõi sóng não của nam giới bằng điện não đồ trong khi điện thoại được bật và tắt bằng máy tính từ xa, đồng thời chuyển đổi giữa các chế độ hoạt động & quotstandby, & quot & quotlisten & quot và & quottalk & quot trong 30 khoảng thời gian phút vào các đêm khác nhau. Thử nghiệm cho thấy rằng sau khi điện thoại được chuyển sang chế độ & quottalk & quot, một dạng sóng não khác, được gọi là sóng delta (trong phạm vi từ một đến bốn Hertz), vẫn bị giảm độ ẩm trong gần một giờ sau khi điện thoại tắt. Các sóng não này là dấu hiệu nhạy cảm và đáng tin cậy nhất của giấc ngủ giai đoạn hai & mdashappro khoảng 50 phần trăm tổng số giấc ngủ bao gồm giai đoạn này & mdashand các đối tượng vẫn tỉnh táo gấp đôi sau khi điện thoại truyền ở chế độ đàm thoại bị tắt. Mặc dù các đối tượng thử nghiệm đã bị mất ngủ vào đêm hôm trước, họ không thể ngủ trong gần một giờ sau khi điện thoại hoạt động mà họ không hề hay biết.

Mặc dù nghiên cứu này cho thấy rằng việc truyền qua điện thoại di động có thể ảnh hưởng đến sóng não của một người với những tác động dai dẳng đến hành vi, Horne không cảm thấy cần phải lo lắng rằng điện thoại di động đang gây hại. Các tác động kích thích mà các nhà nghiên cứu đo được tương đương với khoảng nửa tách cà phê và nhiều yếu tố khác trong môi trường xung quanh của một người sẽ ảnh hưởng đến giấc ngủ của một người nhiều hơn hoặc nhiều hơn so với việc truyền qua điện thoại di động.

& quot; Ý nghĩa của nghiên cứu, & quot, anh ấy giải thích, là mặc dù công suất điện thoại di động thấp, & bức xạ điện từ vẫn có thể ảnh hưởng đến hành vi tinh thần khi truyền ở tần số thích hợp. & quot Anh ấy nhận thấy điều này đặc biệt đáng chú ý khi xem xét rằng mọi người đang ở xung quanh bởi sự lộn xộn điện từ phát ra từ tất cả các loại thiết bị điện tử trong thế giới hiện đại của chúng ta. Điện thoại di động ở chế độ đàm thoại dường như được điều chỉnh đặc biệt tốt với các tần số ảnh hưởng đến hoạt động của sóng não. & quotCác kết quả cho thấy độ nhạy đối với bức xạ mức thấp ở một mức độ nhỏ. Những phát hiện này mở ra cánh cửa cho nhiều nghiên cứu tiếp theo. Người ta chỉ tự hỏi liệu với các liều lượng, thời lượng khác nhau hoặc các thiết bị khác, liệu có tác dụng lớn hơn không? & Quot

Croft of Swinburne nhấn mạnh rằng không có lo lắng về sức khỏe từ những phát hiện mới này. & quot Điều thú vị về nghiên cứu này là nó cho phép chúng ta xem xét cách bạn có thể điều chỉnh chức năng não và [cái nhìn] này cho chúng ta biết điều gì đó về cách bộ não hoạt động ở cấp độ cơ bản. & quot Nói cách khác, tầm quan trọng của công việc này là làm sáng tỏ các hoạt động cơ bản của não - các nhà khoa học giờ đây có thể tách ra khỏi sóng điện từ tự tạo ra của chính họ và tìm hiểu rất nhiều về cách sóng não phản ứng và những gì chúng làm.

Mind Matters được biên tập bởi Jonah Lehrer, nhà văn khoa học đứng sau blog The Frontal Cortex và cuốn sách Proust was a Neuroscientist.


Dẫn truyền thần kinh

Nếu bạn cần thực hiện tốt nhất, cần tập trung, giải quyết vấn đề hoặc duy trì một tư duy bình tĩnh và rõ ràng, bạn sẽ nhận được lợi ích to lớn từ việc sử dụng Mind Lab Pro.

Những lợi ích

  • Tập trung tốt hơn
  • Tư duy bình tĩnh
  • 55+ trí nhớ và tâm trạng
  • Vận động viên tập trung vào hiệu suất
  • Học sinh học tập

Cơ thể của chúng ta được điều khiển bởi bộ não của chúng ta. Bạn đã bao giờ nghĩ về thứ điều khiển bộ não của chúng ta chưa? Bộ não có cần cơ chế điều khiển nào đó không? Đó là những gì các nhà khoa học đã nghĩ cách đây rất lâu từ nơi bắt nguồn khái niệm về dẫn truyền thần kinh.

Chà, nó không chỉ là một khái niệm, nó còn là một khám phá. Henry Hallett Dale là người đã phát hiện ra acetylcholine. Acetylcholine là một trong những chất dẫn truyền thần kinh dồi dào nhất trong não. Đó là cách chúng ta biết về sự dẫn truyền thần kinh.


Trừu tượng

Các mạng não thể hiện sự kết nối chức năng rất đa dạng và linh hoạt và các cấu hình trao đổi thông tin linh hoạt mặc dù cấu trúc tổng thể của chúng cố định. Các dao động não được giả thuyết là cơ sở cho sự kết nối chức năng phụ thuộc vào thời gian bằng cách thay đổi định kỳ tính dễ bị kích thích của các quần thể thần kinh. Trong bài báo này, chúng tôi nghiên cứu vai trò của độ trễ kết nối và sự cản trở giữa các tần số tự nhiên của quần thể thần kinh trong việc truyền tín hiệu. Dựa trên các mô phỏng số và lập luận phân tích, chúng tôi chỉ ra rằng lượng truyền thông tin giữa hai quần thể thần kinh dao động có thể được xác định bởi độ trễ kết nối của chúng và sự không phù hợp trong tần số dao động của chúng. Kết quả của chúng tôi làm nổi bật vai trò của đường cong đáp ứng pha chung của các quần thể thần kinh dao động đối với hiệu quả truyền tín hiệu và chất lượng truyền thông tin trong mạng não.


Giao diện não - máy

José del R. Millán, Serafeim Perdikis, trong Nguyên tắc Kỹ thuật Mô (Tái bản lần thứ Năm), 2020

Giới thiệu

Việc sử dụng các tín hiệu não để tương tác cũng như điều khiển robot và các bộ phận giả đã ngày càng được chú ý trong hai thập kỷ qua. Đây là một lĩnh vực nghiên cứu đa ngành đang nổi lên nhanh chóng được gọi là giao diện não-máy (BMI), hoặc giao diện não-máy tính (BCIs), đã đạt được những thành tựu ấn tượng trong vài năm qua — nguyên mẫu để viết tin nhắn bằng bàn phím ảo [1–6], chơi trò chơi trí não [2,7–10] và thậm chí điều khiển rô bốt hoặc xe lăn [11–21 ]. Chỉ số BMI theo dõi hoạt động não của người dùng, trích xuất các tính năng cụ thể từ các tín hiệu não phản ánh ý định của đối tượng và chuyển ý định của họ thành hành động — chẳng hạn như đóng tay giả hoặc chọn một chữ cái từ bàn phím ảo — mà không sử dụng hoạt động của bất kỳ cơ hoặc dây thần kinh ngoại vi nào [22]. Nguyên lý trung tâm của chỉ số BMI là khả năng phân biệt giữa các mô hình hoạt động khác nhau của não, mỗi mô hình liên quan đến một ý định hoặc nhiệm vụ trí óc cụ thể. Do đó, thích ứng là một thành phần quan trọng của chỉ số BMI, bởi vì, một mặt, người dùng phải học cách điều chỉnh sóng não của họ để tạo ra các mô hình não riêng biệt, trong khi, mặt khác, các kỹ thuật học máy phải khám phá các mô hình não riêng lẻ đặc trưng các tác vụ tinh thần do người dùng thực hiện. Chương này giới thiệu lĩnh vực BMI, đặc biệt tập trung vào các nguyên tắc hoạt động lâu dài và đáng tin cậy của các tế bào thần kinh. Để biết chi tiết hơn về BMI, bạn đọc quan tâm có thể tham khảo [22–24].

Công nghệ BMI cung cấp một cách tự nhiên để khôi phục, thay thế hoặc tăng cường khả năng của con người bằng cách cung cấp một liên kết tương tác mới với thế giới bên ngoài. Về mặt này, nó đặc biệt có liên quan như một sự trợ giúp cho những bệnh nhân bị khuyết tật thần kinh cơ nặng, mặc dù nó cũng mở ra những khả năng mới trong tương tác giữa người và máy cho những người có cơ thể [25]. Hình. 57.1 cho thấy kiến ​​trúc chung của một thiết bị hoạt động bằng não như các chất hỗ trợ thần kinh để phục hồi và phục hồi vận động. Hoạt động của não, tín hiệu điện não đồ (EEG) trong ví dụ này, được ghi lại bằng một thiết bị cầm tay. Các tín hiệu thô này trước tiên được xử lý để trích xuất một số tính năng có liên quan, sau đó được chuyển sang mô hình toán học (ví dụ: bộ phân loại / hồi quy thống kê hoặc mạng thần kinh). Mô hình này tính toán, sau một số quá trình đào tạo, trong đó nó tìm thấy các mẫu nguyên mẫu của hoạt động não liên quan đến mỗi lệnh tinh thần, ý định của người dùng được chuyển thành một hành động thích hợp để điều khiển thiết bị.Cuối cùng, phản hồi trực quan, và có thể là các loại khác như kích thích xúc giác [26,27], kích thích ngoại vi [28], hoặc kích thích vi thể trong thực tế [29-31], thông báo cho đối tượng về hiệu suất của tế bào thần kinh để họ có thể học tinh thần thích hợp. kiểm soát các chiến lược và thực hiện các thay đổi nhanh chóng để đạt được nhiệm vụ.

Hình 57.1. Kiến trúc chung của BMI để điều khiển các thiết bị như máy chỉnh hình tay hoặc xe lăn có động cơ. Trong trường hợp này, BMI đo các tín hiệu EEG được ghi lại từ các điện cực đặt trên da đầu của đối tượng. BMI, Giao diện não-máy. Điện não đồ, điện não đồ.

Chương này được sắp xếp như sau: trước tiên, chúng ta sẽ xem xét các loại tín hiệu não khác nhau có thể được ghi lại làm đầu vào cho chỉ số BMI. Sau đó, chúng ta sẽ thảo luận về một loạt các nguyên tắc để xây dựng chỉ số BMI hiệu quả mà không phụ thuộc vào tín hiệu lựa chọn cụ thể. Những nguyên tắc này liên quan đến bản chất của điện não tương quan phù hợp hơn để điều khiển các thiết bị thẩm mỹ thần kinh và thúc đẩy phục hồi chức năng vận động, sử dụng các kỹ thuật học máy và thiết kế các chỉ số BMI nhận biết ngữ cảnh. Chúng tôi sẽ kết thúc thảo luận về một số hướng nghiên cứu trong tương lai trong lĩnh vực BMI.


Thời gian trễ truyền thông tin từ tế bào thần kinh này sang tế bào thần kinh khác trong não - Tâm lý học

Giao tiếp giữa các tế bào thần kinh
Bởi Silvia Helena Cardoso, Tiến sĩ

Tất cả các cảm giác, cảm giác, suy nghĩ, phản ứng vận động và cảm xúc, học tập và trí nhớ, tác dụng của thuốc kích thích thần kinh, nguyên nhân của rối loạn tâm thần và bất kỳ chức năng hoặc rối loạn chức năng nào khác của não người đều không thể hiểu được nếu không có kiến ​​thức về quá trình hấp dẫn giao tiếp giữa các tế bào thần kinh (tế bào thần kinh). Các tế bào thần kinh phải liên tục thu thập thông tin về trạng thái bên trong của sinh vật và môi trường bên ngoài của nó, đánh giá thông tin này và phối hợp các hoạt động phù hợp với hoàn cảnh và nhu cầu hiện tại của người đó.

Làm thế nào các tế bào thần kinh xử lý thông tin này?

Điều này về cơ bản xảy ra nhờ xung thần kinh. Xung thần kinh là sự truyền tín hiệu được mã hóa từ một kích thích nhất định dọc theo màng tế bào thần kinh, bắt đầu từ điểm mà nó được áp dụng. Các xung thần kinh có thể truyền từ tế bào này sang tế bào khác, do đó tạo ra một chuỗi thông tin trong một mạng lưới các tế bào thần kinh.

Hai loại hiện tượng liên quan đến quá trình xử lý xung thần kinh: điện và hóa học. Các sự kiện điện truyền một tín hiệu trong một tế bào thần kinh và các quá trình hóa học truyền tín hiệu từ một tế bào thần kinh này sang một tế bào thần kinh khác hoặc đến một tế bào cơ. Quá trình tương tác hóa học giữa các tế bào thần kinh và giữa các tế bào thần kinh và tế bào tác động xảy ra ở phần cuối của sợi trục, trong một cấu trúc gọi là khớp thần kinh. Chạm rất gần với đuôi gai của tế bào khác (nhưng không có sự liên tục vật chất giữa cả hai tế bào), sợi trục tiết ra các chất hóa học được gọi là chất dẫn truyền thần kinh, chất này tự gắn vào các thụ thể hóa học trong màng của tế bào thần kinh sau và thúc đẩy những thay đổi kích thích hoặc ức chế trong màng của nó.

Do đó, chất dẫn truyền thần kinh làm cho các xung thần kinh của một tế bào này có thể ảnh hưởng đến các xung thần kinh của tế bào khác, do đó cho phép các tế bào não "nói chuyện với nhau", có thể nói như vậy. Cơ thể con người đã phát triển một số lượng lớn các sứ giả hóa học này để tạo điều kiện giao tiếp nội bộ và truyền tín hiệu trong não. Khi mọi thứ hoạt động bình thường, thông tin liên lạc nội bộ diễn ra mà chúng tôi không hề hay biết.

Hiểu biết về truyền qua synap là chìa khóa để hiểu hoạt động cơ bản của hệ thần kinh ở cấp độ tế bào. Toàn bộ điểm của hệ thần kinh là kiểm soát và điều phối chức năng cơ thể và cho phép cơ thể phản ứng và hành động với môi trường. Truyền qua synap là quá trình quan trọng trong hoạt động tích hợp của hệ thần kinh.

Chúng ta đã xem quá trình điện của xung thần kinh trong bài viết trước. Trong số này, chúng ta sẽ xem xét kỹ hơn cách hoạt động của khớp thần kinh và chất dẫn truyền thần kinh ..

Synapse: Điểm gặp gỡ giữa các tế bào thần kinh

Vì các tế bào thần kinh tạo thành một mạng lưới các hoạt động điện, bằng cách nào đó chúng phải được kết nối với nhau. Khi một tín hiệu thần kinh, hoặc xung động, đến tận cùng sợi trục của nó, nó đã truyền đi như một điện thế hoạt động, hoặc một xung điện. Tuy nhiên, không có sự liên tục tế bào giữa một nơ-ron này và nơ-ron tiếp theo có một khoảng trống gọi là khớp thần kinh. Màng của tế bào gửi và tế bào nhận được ngăn cách với nhau bằng khoảng trống synap đầy chất lỏng. Tín hiệu không thể nhảy qua khe hở bằng điện. Vì vậy, các chất hóa học đặc biệt được gọi là chất dẫn truyền thần kinh có vai trò này. Chúng được giải phóng bởi màng gửi trước synap và thấm qua các thụ thể ở khoảng trống tp trên màng sau synap của nơron nhận. Sự liên kết của các chất dẫn truyền thần kinh với các thụ thể này có tác dụng cho phép các ion (các hạt mang điện) đi vào và ra khỏi tế bào nhận, như chúng ta đã thấy trong bài báo về dẫn truyền thần kinh.

Do đó, hướng bình thường của luồng thông tin là từ đầu cuối sợi trục đến nơron đích, đầu cuối sợi trục được cho là trước synap (mang thông tin về phía khớp thần kinh) và nơron đích được cho là sau khớp thần kinh (mang thông tin từ khớp thần kinh).

Loại khớp thần kinh điển hình và thường xuyên nhất là loại khớp thần kinh trong đó sợi trục của một tế bào thần kinh kết nối với tế bào thần kinh thứ hai bằng cách thường tiếp xúc với một trong các đuôi gai của nó hoặc với thân tế bào. Có hai cách để điều này có thể xảy ra: khớp thần kinh điện và hóa học.

Synapse điện


Một điểm nối khoảng cách. (a) Tế bào thần kinh của hai tế bào được kết nối
Hầu hết các khớp thần kinh của động vật có vú là hóa học, nhưng có một dạng khớp thần kinh đơn giản cho phép truyền trực tiếp dòng điện ion từ tế bào này sang tế bào khác. Các khớp thần kinh điện xảy ra tại các vị trí chuyên biệt được gọi là các điểm nối khoảng cách. Chúng tạo thành các kênh cho phép các ion đi trực tiếp từ tế bào chất của tế bào này sang tế bào chất của tế bào kia. Sự dẫn truyền tại các khớp thần kinh điện rất nhanh, do đó, một điện thế hoạt động trong tế bào thần kinh trước synap có thể tạo ra gần như ngay lập tức, một điện thế hoạt động trong tế bào thần kinh sau synap. Các khớp thần kinh điện trong CNS của động vật có vú, chủ yếu được tìm thấy ở các vị trí chuyên biệt, nơi các chức năng bình thường đòi hỏi hoạt động của các tế bào thần kinh lân cận phải được đồng bộ hóa cao. Mặc dù các điểm nối khoảng cách tương đối hiếm gặp giữa các tế bào thần kinh của động vật có vú trưởng thành, nhưng chúng rất phổ biến ở nhiều loại tế bào không phải tế bào thần kinh, bao gồm tế bào cơ tim trơn, tế bào biểu mô, một số tế bào tuyến, tế bào đệm, v.v ... Chúng cũng phổ biến ở nhiều động vật không xương sống.

Trong loại khớp thần kinh này, tín hiệu đến được truyền đi khi một tế bào thần kinh giải phóng chất dẫn truyền thần kinh vào khe tiếp hợp và được phát hiện bởi tế bào thần kinh thứ hai thông qua việc kích hoạt các thụ thể đặt đối diện với vị trí giải phóng.

Chất dẫn truyền thần kinh là các hóa chất được tạo ra bởi các tế bào thần kinh và được chúng sử dụng để truyền tín hiệu đến các tế bào thần kinh khác hoặc các tế bào không phải tế bào thần kinh (ví dụ: cơ tim cơ xương, tế bào tuyến tùng) mà chúng tạo ra bên trong.

Sự liên kết hóa học của chất dẫn truyền thần kinh với các thụ thể gây ra một loạt các thay đổi sinh lý trong tế bào thần kinh thứ hai tạo thành tín hiệu. Thông thường việc giải phóng tế bào thần kinh đầu tiên (được gọi là tiền synap) là do một loạt các sự kiện nội bào gây ra bởi sự khử cực màng của nó, và hầu như luôn luôn thay đổi khi điện thế hoạt động diễn ra.

Sơ đồ và hình ảnh vi mô của khớp thần kinh cơ của ruồi giấm.
1 - Túi khí synap 2 - Nơron trước synap (sợi trục tận cùng) 3 - Khe hở tiếp hợp 4 - Nơron sau synap.

Một số cơ chế phải tồn tại, theo đó điện thế hoạt động khiến chất dẫn truyền được lưu trữ trong các túi tiếp hợp bị đẩy ra khe hở.

Các loại khớp thần kinh hóa học

Có hai loại khớp thần kinh hóa học, tùy theo hiệu ứng mà nó gây ra đối với phần tử sau khớp thần kinh:

Chúng gây ra sự thay đổi điện kích thích trong điện thế sau synap (EPSP). Điều này xảy ra khi tác dụng thực của sự phóng thích chất phát là khử cực màng, đưa nó đến gần ngưỡng điện để kích hoạt điện thế hoạt động. Hiệu ứng này thường được thực hiện qua việc mở các kênh màng (loại lỗ đi qua màng tế bào) cho các ion natri và canxi.

Việc ghi lại điện thế màng đối với điện thế ức chế sau synap (IPSP: màu xanh lá cây) cho thấy sự tăng phân cực, tức là, sự lệch xuống trong đường dò, vì nó trở nên âm hơn điện thế nghỉ.

Các khớp thần kinh trong hệ thần kinh trung ương

Các mảng tiếp hợp trong thần kinh trung ương. MỘT. Một khớp thần kinh axodendritic, NS. một khớp thần kinh axosomatic. NS. Một khớp thần kinh axoxonic. Các loại khớp thần kinh khác nhau có thể được phân biệt bằng phần nào của tế bào thần kinh sau khớp thần kinh với đầu tận cùng của sợi trục. Nếu màng sau synap nằm trên đuôi gai, thì khớp thần kinh được cho là đuôi gai. Nếu màng sau synap nằm trên cơ thể tế bào, thì khớp thần kinh được cho là axosomatic. Trong một số trường hợp, màng sau synap nằm trên một sợi trục khác, và các khớp thần kinh này được gọi là axoaxonic. Trong một số tế bào thần kinh chuyên biệt nhất định, các đuôi gai thực sự tạo thành các khớp thần kinh với nhau, chúng được gọi là các khớp thần kinh dendrodendritic.

Chất dẫn truyền thần kinh: Sứ giả của não

Về mặt hóa học, chất dẫn truyền thần kinh là những phân tử tương đối nhỏ và đơn giản. Các loại tế bào khác nhau tiết ra các chất dẫn truyền thần kinh khác nhau. Mỗi chất hóa học trong não hoạt động ở những vị trí não phổ biến rộng rãi nhưng khá cụ thể và có thể có tác dụng khác nhau tùy theo nơi nó được kích hoạt. Khoảng 60 chất dẫn truyền thần kinh đã được xác định, và chúng chủ yếu rơi vào một trong bốn loại:

1) choline trong đó acetylcholine là chất quan trọng nhất

2) amin sinh học: serotonin, histamine và catecholamine - dopamine và norepinephrine

3) axit amin - glutamate và aspartate là những chất dẫn truyền kích thích nổi tiếng, trong khi axit gamma-aminobutyric (GABA), glycine và taurine là những chất dẫn truyền thần kinh ức chế.

4) neuropeptide, - những chuỗi này được hình thành bởi các chuỗi axit amin dài hơn (giống như một phân tử protein nhỏ). Hơn 50 trong số chúng được biết là xảy ra trong não, và nhiều trong số chúng được ngụ ý trong việc điều chế hoặc truyền thông tin thần kinh.

Các chất dẫn truyền thần kinh quan trọng và chức năng của chúng

Dopamine
Kiểm soát mức độ kích thích và kiểm soát vận động ở nhiều phần của não. Khi mức độ suy giảm nghiêm trọng trong bệnh Parkinson, bệnh nhân không thể tự ý di chuyển. LSD và các loại thuốc gây ảo giác khác được cho là hoạt động trên hệ thống dopamine.

Serotonin
Đây là chất dẫn truyền thần kinh được tăng cường bởi nhiều loại thuốc chống trầm cảm, chẳng hạn như Prozac, và do đó được gọi là chất dẫn truyền thần kinh 'cảm thấy tốt'. Nó có ảnh hưởng sâu sắc đến tâm trạng, lo lắng và gây hấn.

Acetylcholine (ACh)
Kiểm soát hoạt động trong các vùng não được kết nối với sự chú ý, học tập và trí nhớ. Những người bị bệnh Alzheimer thường có mức ACh thấp trong vỏ não và các loại thuốc tăng cường hoạt động của nó có thể cải thiện trí nhớ ở những bệnh nhân này.

Noradrenaline
Chủ yếu là một chất hóa học kích thích gây hưng phấn về thể chất và tinh thần và nâng cao tâm trạng. Sản xuất tập trung vào một khu vực của não được gọi là locus coreuleus, là một trong những ứng cử viên giả định cho trung tâm 'khoái cảm' của não. Khoa học y tế đã chứng minh rằng norepinephrine làm trung gian cho nhịp tim, huyết áp, tốc độ chuyển đổi glycogen (glucose) thành năng lượng, cũng như các lợi ích thể chất khác.

Glutamate
Chất dẫn truyền thần kinh kích thích chính của não, rất quan trọng để rèn các liên kết giữa các tế bào thần kinh là nền tảng của việc học và trí nhớ dài hạn.

Enkephalins và Endorphin
Đây là những chất dạng thuốc phiện, giống như ma túy heroine và morphine, điều chỉnh cơn đau, giảm căng thẳng, v.v. Họ có thể tham gia vào các cơ chế của sự phụ thuộc vật lý .


Kính hiển vi tốc độ cao ghi lại các tín hiệu não thoáng qua

Các tín hiệu điện và hóa học liên tục nhấp nháy trong não của chúng ta khi chúng ta di chuyển khắp thế giới, nhưng sẽ cần một máy ảnh tốc độ cao và một cửa sổ vào não để ghi lại những con đường thoáng qua của chúng.

Đại học California, Berkeley, các nhà điều tra hiện đã chế tạo một chiếc camera như vậy: một chiếc kính hiển vi có thể ghi lại hình ảnh não của một con chuột cảnh báo 1.000 lần một giây, lần đầu tiên ghi lại sự truyền xung điện mili giây qua các tế bào thần kinh.

Trưởng nhóm nghiên cứu Na Ji, phó giáo sư vật lý và sinh học phân tử và tế bào của UC Berkeley cho biết: “Điều này thực sự thú vị, bởi vì giờ đây chúng tôi có thể làm điều gì đó mà mọi người thực sự không thể làm được.

Kỹ thuật hình ảnh mới kết hợp giữa kính hiển vi huỳnh quang hai photon và quét laser toàn quang trong một kính hiển vi hiện đại có thể hình ảnh một lát cắt hai chiều qua vỏ não chuột lên đến 3.000 lần mỗi giây. Điều đó đủ nhanh để theo dõi các tín hiệu điện chạy qua các mạch não.

Với kỹ thuật này, các nhà khoa học thần kinh như Ji giờ đây có thể theo dõi các tín hiệu điện khi chúng truyền qua não và cuối cùng tìm kiếm các vấn đề truyền dẫn liên quan đến bệnh tật.

Một ưu điểm chính của kỹ thuật này là nó sẽ cho phép các nhà khoa học thần kinh theo dõi hàng trăm đến hàng chục nghìn đầu vào mà bất kỳ tế bào não nhất định nào nhận được từ các tế bào não khác, bao gồm cả những đầu vào không kích hoạt tế bào phát hỏa. Các đầu vào ngưỡng phụ này - kích thích hoặc ức chế tế bào thần kinh - dần dần cộng lại thành đỉnh siêu việt kích hoạt tế bào kích hoạt điện thế hoạt động, truyền thông tin cùng với các tế bào thần kinh khác.

Từ điện cực đến hình ảnh huỳnh quang

Phương pháp điển hình để ghi lại quá trình bắn điện trong não, thông qua các điện cực được nhúng trong mô, chỉ phát hiện ra các vết phồng rộp từ một vài tế bào thần kinh khi sự thay đổi điện áp mili giây đi qua. Kỹ thuật mới có thể xác định chính xác tế bào thần kinh đang kích hoạt thực sự và đi theo đường dẫn của tín hiệu, từng phần nghìn giây.

Hình ảnh nhanh & # 8211 một nghìn lần mỗi giây & # 8212 cho thấy hoạt động điện tự phát trong bốn tế bào thần kinh riêng biệt 75 micron bên trong não của một con chuột cảnh báo. Đây là một lát dày 3 micron xuyên qua vỏ não mới & # 8211 mỏng đến mức thân tế bào của tế bào thần kinh chỉ được nhìn thấy trong mặt cắt ngang, dưới dạng một vòng tròn. (Hình ảnh UC Berkeley của Na Ji)

Ji, một thành viên của Viện Khoa học Thần kinh tại UC Berkeley’s Helen Wills, cho biết: “Trong các căn bệnh, nhiều thứ đang xảy ra, thậm chí trước khi bạn có thể nhìn thấy các tế bào thần kinh hoạt động, như tất cả các sự kiện dưới ngưỡng. “Chúng tôi chưa bao giờ xem xét một loại bệnh sẽ thay đổi như thế nào với đầu vào dưới ngưỡng. Bây giờ, chúng tôi có cách xử lý để giải quyết vấn đề đó ”.

Ji và các đồng nghiệp của cô ấy đã báo cáo kỹ thuật hình ảnh mới trong số tháng 3 của tạp chí Phương pháp Tự nhiên. Trong cùng một số báo, bà và các đồng nghiệp khác cũng đã xuất bản một bài báo chứng minh một kỹ thuật khác để hình ảnh tín hiệu canxi trên phần lớn toàn bộ bán cầu não chuột cùng một lúc, một kỹ thuật sử dụng “kính trung gian” có góc nhìn rộng với hai. -photon và quét lấy nét Bessel. Nồng độ canxi có liên quan đến sự thay đổi điện áp khi tín hiệu được truyền qua não.

Ji nói: “Đây là lần đầu tiên có người cho thấy hoạt động thần kinh của một khối lượng lớn như vậy trong não ở không gian ba chiều, vượt xa những gì các điện cực có thể làm được. "Hơn nữa, phương pháp tiếp cận hình ảnh của chúng tôi cung cấp cho chúng tôi khả năng phân giải các khớp thần kinh của mỗi tế bào thần kinh."

Các khớp thần kinh là những điểm mà các chất dẫn truyền thần kinh được giải phóng bởi một tế bào thần kinh để kích thích hoặc ức chế một tế bào thần kinh khác.

Một trong những mục tiêu của Ji là tìm hiểu cách các tế bào thần kinh tương tác trên các khu vực lớn của não và cuối cùng xác định vị trí các mạch bị bệnh có liên quan đến rối loạn não.

Ji nói: “Trong các bệnh rối loạn não, bao gồm cả bệnh thoái hóa thần kinh, không chỉ một tế bào thần kinh đơn lẻ hoặc một vài tế bào thần kinh bị bệnh. “Vì vậy, nếu bạn thực sự muốn hiểu những căn bệnh này, bạn muốn có thể xem xét càng nhiều tế bào thần kinh càng tốt trên các vùng não khác nhau. Với phương pháp này, chúng ta có thể có được một bức tranh toàn cầu hơn nhiều về những gì đang xảy ra trong não bộ ”.

Kính hiển vi hai photon

Ji và các đồng nghiệp của cô có thể nhìn xuyên vào não nhờ các đầu dò có thể được ghim vào các loại tế bào cụ thể và phát quang khi môi trường thay đổi. Ví dụ, để theo dõi sự thay đổi điện áp trong tế bào thần kinh, nhóm của cô đã sử dụng một cảm biến được phát triển bởi đồng tác giả Michael Lin của Đại học Stanford, nó trở nên huỳnh quang khi màng tế bào khử cực khi tín hiệu điện áp lan truyền dọc theo màng tế bào.

Sử dụng kính hiển vi huỳnh quang hai photon với trường nhìn cực lớn, các nhà nghiên cứu của UC Berkeley đã chụp ảnh các tế bào thần kinh (màu xanh lá cây) trong một phần lớn của vỏ não của một con chuột sống. Khu vực hiển thị các tế bào thần kinh có thể tích 4,2 mm x 4,2 mm x 100 micron. Các nhánh tối là mạch máu. (Hình ảnh UC Berkeley của Na Ji)

Sau đó, các nhà nghiên cứu chiếu sáng các đầu dò huỳnh quang này bằng tia laser hai photon, làm cho chúng phát ra ánh sáng hoặc huỳnh quang, nếu chúng đã được kích hoạt. Ánh sáng phát ra được kính hiển vi thu lại và kết hợp thành hình ảnh 2D cho thấy vị trí của sự thay đổi điện áp hoặc sự hiện diện của một chất hóa học cụ thể, chẳng hạn như ion tín hiệu, canxi.

Bằng cách quét nhanh tia laser qua não, giống như một chiếc đèn pin chiếu dần cảnh bên trong một căn phòng tối, các nhà nghiên cứu có thể thu được hình ảnh của một lớp mỏng duy nhất của tân vỏ não. Nhóm nghiên cứu có thể thực hiện 1.000 đến 3.000 lần quét 2D đầy đủ của một lớp não duy nhất mỗi giây bằng cách thay thế một trong hai gương quay của tia laser bằng một gương quang học - một kỹ thuật được gọi là độ trễ tăng cường góc cạnh trong không gian tự do (FACED). FACED được phát triển bởi đồng tác giả bài báo Kevin Tsia tại Đại học Hồng Kông.

Hình ảnh kilohertz không chỉ cho thấy sự thay đổi điện áp mili giây mà còn thay đổi chậm hơn nồng độ canxi và glutamate, một chất dẫn truyền thần kinh, sâu tới 350 micrômet (một phần ba milimet) từ bề mặt não.

Để có được hình ảnh 3D nhanh chóng về sự di chuyển của canxi qua các tế bào thần kinh, cô đã kết hợp kính hiển vi huỳnh quang hai photon với một kỹ thuật khác, quét tiêu điểm Bessel. Để tránh tốn thời gian quét từng lớp dày cỡ micromet của tân vỏ não, tiêu điểm kích thích của laser hai photon được định hình từ một điểm đến một hình trụ nhỏ, giống như một chiếc bút chì, có chiều dài khoảng 100 micromet. Chùm bút chì này sau đó được quét ở sáu độ sâu khác nhau qua não và các hình ảnh huỳnh quang được kết hợp để tạo ra hình ảnh 3D. Điều này cho phép quét nhanh hơn mà ít bị mất thông tin vì trong mỗi tập giống như bút chì, thường chỉ có một tế bào thần kinh hoạt động bất kỳ lúc nào. Kính trung gian có thể hình ảnh một khu vực có đường kính khoảng 5 mm - gần 1/4 bán cầu não chuột - và sâu 650 micron, gần với độ sâu đầy đủ của tân vỏ não, nơi có liên quan đến quá trình xử lý thông tin phức tạp.

“Sử dụng các phương pháp thông thường, chúng tôi sẽ phải quét 300 hình ảnh để bao phủ tập này, nhưng với một chùm tia kéo dài thu gọn tập xuống một mặt phẳng, chúng tôi chỉ cần quét sáu hình ảnh, có nghĩa là bây giờ chúng tôi có thể có một thể tích đủ nhanh Ji nói.

Ji hiện đang nghiên cứu kết hợp bốn kỹ thuật - kính hiển vi huỳnh quang hai photon, hội tụ chùm tia Bessel, FACED và quang học thích ứng - để đạt được hình ảnh tốc độ cao, độ nhạy cao nằm sâu trong vỏ não, dày khoảng 1 mm.

“Như một cách để hiểu về não bộ, ước mơ của tôi là kết hợp các kỹ thuật kính hiển vi này để có được độ phân giải không gian submicron để chúng tôi có thể nhìn thấy các khớp thần kinh, độ phân giải thời gian mili giây cho hình ảnh điện áp và nhìn thấy tất cả những thứ này nằm sâu trong não”, cô nói thêm . “Điều phức tạp và đầy thách thức đối với bộ não là, nếu bạn chỉ làm một phần quang học duy nhất, theo cách bạn không thể có được một bức tranh hoàn chỉnh, bởi vì mạng nơ-ron rất nhiều không gian ba chiều.”

Các đồng tác giả trên bài báo về hình ảnh điện áp với Ji, Lin và Tsia là Jianglai Wu và Shuo Chen của UC Berkeley, Yajie Liang và Ching-Lung Hsu của Học viện Y khoa Howard Hughes (HHMI) Janelia Research Campus ở Virginia, và Mariya Chavarha, Stephen Evans và Dongqing Shi của Stanford.

Đồng tác giả với Ji trên bài báo hình ảnh canxi là đồng tác giả đầu tiên Rongwen Lu và Yajie Liang của Janelia và Guanghan Meng của UC Berkeley Pengcheng Zhou và Liam Paninski của Đại học Columbia và Karel Svoboda của Janelia.

Công việc của Ji được hỗ trợ bởi HHMI và Viện Quốc gia về Rối loạn Thần kinh và Đột quỵ thuộc Viện Y tế Quốc gia (U01NS103489, UF1NS107696).


Cách protein kiểm soát quá trình xử lý thông tin trong não

Một sự tương tác phức tạp giữa các protein khác nhau là cần thiết để thông tin truyền từ tế bào thần kinh này sang tế bào thần kinh tiếp theo. Các nhà nghiên cứu tại Đại học Martin Luther Halle-Wittenberg (MLU) hiện đã tìm cách nghiên cứu quá trình này trong các túi tiếp hợp, đóng một vai trò quan trọng trong quá trình này. Nghiên cứu xuất hiện trên tạp chí Nature Communications.

Vài tỷ tế bào thần kinh giao tiếp với nhau trong cơ thể để con người và các sinh vật khác có thể nhận thức và phản ứng với môi trường của họ. Một loạt các quá trình điện và hóa học phức tạp xảy ra trong vòng vài mili giây. "Các chất truyền tin đặc biệt - được gọi là chất dẫn truyền thần kinh - được giải phóng tại khớp thần kinh của các tế bào thần kinh. Chúng truyền thông tin giữa các tế bào thần kinh riêng lẻ", Tiến sĩ Carla Schmidt, trợ lý giáo sư tại Trung tâm Năng lực Đổi mới HALOmem tại MLU giải thích. Các chất truyền tin được đóng gói thành các túi nhỏ gọi là túi tiếp hợp, hợp nhất với màng tế bào để phản ứng với xung điện và giải phóng các chất truyền tin. Các chất truyền tin sau đó được nhận biết bởi các protein thụ thể đặc biệt trong tế bào thần kinh tiếp theo. Để điều này thành công, nhiều protein phải làm việc cùng nhau, chia lưới như bánh răng trong một cơ chế hoạt động đồng hồ. Tuy nhiên, hiện tại còn quá ít thông tin về cách thức hoạt động chính xác của quá trình này, Schmidt nói.

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng một dạng khối phổ đặc biệt để điều tra quá trình này. Khối phổ liên kết chéo giúp xác định các vị trí tương tác của các protein. Chúng được trộn với một chất liên kết với nhau các protein gần đó. Chất này phản ứng ở những nơi khác nhau tùy thuộc vào cách các protein tương tác với nhau. Khối phổ kế phân tích các dạng liên kết, có thể được sử dụng để đưa ra kết luận về sự sắp xếp của các protein. Điều này cho phép các nhà nghiên cứu kiểm tra các giai đoạn khác nhau của mụn nước và phát hiện mạng lưới protein nào đã hình thành.

Nghiên cứu từ Halle cho phép hiểu rõ hơn về quá trình truyền tín hiệu trong các tế bào thần kinh. Kiến thức về các quá trình bình thường giúp các nhà khoa học nhận ra và hiểu được những trục trặc có thể gây ra các bệnh như Alzheimer.

Nghiên cứu được hỗ trợ bởi Bộ Tài chính Liên bang về Nghiên cứu và Giáo dục ở Đức, Quỹ Phát triển Khu vực Châu Âu (ERDF) và Quỹ Alexander von Humboldt.


Tế bào thần kinh tự động chuyển đổi nhận dạng để phản ứng với hoạt động của não

Bộ não con người thường được cho là vật thể phức tạp nhất trong vũ trụ đã biết, và có lý do chính đáng để tin rằng điều sáo rỗng cũ kỹ này là đúng. Ngay cả nhiệm vụ có vẻ đơn giản là biên soạn một cuộc điều tra dân số về các loại ô khác nhau mà nó chứa cũng đã được chứng minh là cực kỳ khó khăn. Các nhà nghiên cứu vẫn chưa thể thống nhất về cách tốt nhất để phân loại vô số loại tế bào thần kinh phụ và các phương pháp khác nhau tạo ra các kết quả khác nhau, vì vậy các ước tính nằm trong khoảng từ vài trăm đến hơn một nghìn.

Tế bào rổ minh họa hoàn hảo cuộc khủng hoảng nhận dạng tế bào thần kinh này. Chúng hiện được chia thành nhiều loại khác nhau, theo hình dạng, tính chất điện và cấu hình phân tử. Sau gần mười năm làm công việc trinh thám, giờ đây các nhà nghiên cứu tại Đại học King’s College London tiết lộ họ là những bậc thầy về ngụy trang. Trong một nghiên cứu mới đáng ngạc nhiên, họ chỉ ra rằng những tế bào này có thể tự động chuyển từ danh tính này sang danh tính khác để phản ứng với hoạt động của mạng lưới tế bào thần kinh.

Tế bào rổ là một loại interneuron, được tìm thấy rải rác khắp vỏ não, hồi hải mã và tiểu não, và chiếm khoảng 5% tổng số tế bào ở những vùng não này. Chúng tạo thành các mạch cục bộ với nhau và với các tế bào thần kinh hình tháp, các tế bào lớn hơn và nhiều hơn sẽ truyền thông tin đến các phần xa của não và tổng hợp chất dẫn truyền thần kinh ức chế GABA, chất này làm giảm hoạt động của tế bào hình tháp khi được giải phóng.

Các tế bào bí ẩn này được cho là tồn tại ở hơn 20 loại khác nhau, loại được biết đến nhiều nhất là loại có tốc độ tăng đột biến nhanh, phản ứng nhanh với các tín hiệu đến và loại chậm hơn, phản hồi sau một khoảng thời gian trễ. Trong quá trình phát triển của não, các dạng chưa trưởng thành của tất cả các loại tế bào rổ được tạo ra trong một cấu trúc được gọi là cấu trúc hạch trung gian, cùng với nhiều loại tế bào não khác. Sau đó, chúng di chuyển vào vỏ não đang phát triển, trước khi tiếp tục hình thành các kết nối tiếp hợp với các tế bào khác.

Trở lại năm 2007, Oscar Marín của Trung tâm Sinh học Thần kinh Phát triển MRC và các đồng nghiệp của ông đã báo cáo rằng một loại protein có tên Er81 được tìm thấy trong các tế bào nhũ tương hạch trung gian chưa trưởng thành, và cũng ở các mức độ khác nhau đối với một số lượng nhỏ tế bào trên khắp vỏ não. Er81 là một bộ điều khiển chính điều phối hoạt động của các gen phát triển. Khi được tổng hợp bởi một tế bào, nó sẽ đi vào nhân, liên kết với các chuỗi DNA cụ thể trong các gen đích của nó và giúp các tế bào não trẻ tìm thấy vị trí và mục đích của chúng, bằng cách bật và tắt các bộ gen này vào những thời điểm và địa điểm khác nhau. Ví dụ, nó cần thiết để xác định danh tính của các tế bào thần kinh cảm giác và vận động, đồng thời cũng kiểm soát cách chúng kết nối với nhau trong tủy sống.

Tuy nhiên, chức năng của nó trong các ô rổ vẫn chưa được biết đến, và vì vậy nghiên cứu mới này, do Nathalie Dehorer dẫn đầu, đã tìm cách điều tra khả năng Er81 cũng xác định danh tính của chúng. Đầu tiên, họ kiểm tra các lát mô từ vỏ não của những con chuột biến đổi gen có tế bào rổ tạo ra protein huỳnh quang màu xanh lá cây. Đầu tiên, họ sử dụng các vi điện cực để ghi lại hoạt động điện của tế bào, xác nhận rằng một số tế bào thần kinh được gắn nhãn fluroescently là tế bào giỏ tăng tốc nhanh, và một số tế bào trong số đó là tế bào chậm. Một thí nghiệm khác tiết lộ rằng mặc dù Er81 hiện diện ở mức cao trong các ô rổ chậm, nó dường như hoàn toàn không có trong các ô tăng đột biến nhanh.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu đã tạo ra những con chuột được biến đổi gen của riêng họ, để xóa gen Er81 trong các vùng não cụ thể và vào các thời điểm khác nhau trong cuộc đời của động vật. Việc xóa gen khỏi hạch trung gian ở chuột phôi không ảnh hưởng đến số lượng tế bào giỏ, hoặc sự phân bố của chúng trong vỏ não, cho thấy rằng protein không cần thiết cho sự di cư của chúng hoặc cho giai đoạn xác định danh tính của chúng sớm nhất. Tuy nhiên, họ nhận thấy rằng hầu hết các ô rổ ở những động vật này là ô có tốc độ tăng nhanh, cho thấy cần phải có Er81 để duy trì danh tính của những ô chậm chạp.

Để kiểm tra điều này, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một dòng chuột khác và xóa gen khỏi các tế bào rổ trong vỏ não của động vật trưởng thành. Kiểm tra mô não cho thấy điều này làm mất gần như hoàn toàn các tế bào giỏ chậm, do những thay đổi trong hoạt động của các gen kênh kali, vốn kiểm soát các đặc tính điện của tế bào, cũng như sự sắp xếp lại chính các đầu vào khớp thần kinh mà chúng nhận được. các ô khác.

Lần này, họ phát hiện ra rằng mức độ Er81 trong nhân có liên quan trực tiếp đến thời gian trì hoãn phản ứng của tế bào rổ, và hoạt động của mạng lưới tế bào thần kinh làm thay đổi đáng kể tỷ lệ giữa tế bào tăng đột biến nhanh và tế bào rổ chậm. Và mặc dù phân tử Er81 bị thiếu trong tế bào nhanh, tất cả các loại tế bào phụ đều chứa các bản sao Er81, các bản sao của bản thiết kế di truyền được xuất ra từ nhân để sử dụng cho quá trình tổng hợp protein.

Do đó, Er81 dường như hoạt động như một công tắc phân tử có thể thay đổi các đặc tính điện của tế bào rổ, cho phép chúng biến đổi linh hoạt giữa các trạng thái nhanh và chậm, để đáp ứng với những thay đổi trong hoạt động của mạng nơ-ron. Các phát hiện, được công bố trên tạp chí Khoa học tuần trước, gợi ý rằng các tế bào rổ tồn tại liên tục, thay vì dưới dạng các loại phụ rời rạc, rằng chúng được điều chỉnh vĩnh viễn theo hoạt động của mạng lưới thần kinh và chúng liên tục thích nghi với nó bằng cách chuyển đổi giữa các trạng thái nhanh và chậm của chúng.


Đóng băng chụp cho thấy cấu trúc trung thực hơn của các kết nối não

Mô hình 3-D của các tua gai (màu tím) tạo nên các khớp thần kinh với các sợi trục chứa các túi (màu vàng). Nền hiển thị hình ảnh kính hiển vi điện tử của mô não. Tín dụng: Graham Knott (EPFL)

Các nhà khoa học tại EPFL đã sử dụng phương pháp đóng băng nhanh để tiết lộ cấu trúc thực sự của các kết nối liên kết các tế bào thần kinh với nhau trong não người lớn.

Hầu hết các kết nối synap trong não người lớn đều nằm trên các gai nhỏ, dài cỡ micromet, phần nhô ra từ bề mặt tế bào thần kinh. Kích thước và hình dạng chính xác của gai xác định mức độ truyền tín hiệu từ nơ-ron này sang nơ-ron khác.

Những chi tiết này trở nên rất quan trọng khi các nhà khoa học thần kinh muốn mô hình hóa các mạch não hoặc hiểu cách thông tin được truyền giữa các nơ-ron qua các mạch thần kinh của não. Tuy nhiên, kích thước nhỏ bé của chúng và những khó khăn trong việc bảo quản mô não ở trạng thái tự nhiên luôn khiến câu hỏi bỏ ngỏ về cấu trúc thực sự của cột sống đuôi gai là gì.

Các nhà khoa học từ Trường Khoa học Đời sống của EPFL hiện đã sử dụng phương pháp đóng băng nhanh của các tia nitơ lỏng, kết hợp với áp suất rất cao, để bảo quản tức thì các mảnh mô não nhỏ. Các nhà nghiên cứu, từ phòng thí nghiệm của Graham Knott và Carl Petersen, sau đó sử dụng hình ảnh 3-D có độ phân giải cao với kính hiển vi điện tử để tiết lộ cấu trúc gai đuôi gai thực sự tương tự như thế nào trong các nghiên cứu trước đây, ngoại trừ một khía cạnh quan trọng: phương pháp đông lạnh tức thì cho thấy các gai đuôi gai với cổ mỏng hơn đáng kể.

Phát hiện này xác nhận một lượng đáng kể dữ liệu lý thuyết và chức năng trong nhiều năm, cho thấy rằng các gai của đuôi gai là chất hóa học, cũng như điện, các ngăn cách ly với phần còn lại của tế bào thần kinh bởi một chiếc cổ mỏng và có sức đề kháng cao. Sự thay đổi về đường kính cổ có tác động quan trọng đến cách một khớp thần kinh ảnh hưởng đến phần còn lại của tế bào thần kinh.

Graham Knott cho biết: “Ngoài việc tiết lộ hình dạng thực sự của những cấu trúc não quan trọng này, công trình này còn nêu bật tính hữu ích của phương pháp đóng băng nhanh và kính hiển vi điện tử để có được cái nhìn chi tiết hơn về kiến ​​trúc của tế bào và mô,” Graham Knott nói.