Теоретическая нейроморфология - Theoretical neuromorphology

Теоретическая нейроморфология это наука об использовании морфология математически описать форму и возможности соединения в нервная система.

История

Давно сформировалось рациональное изучение форм. В основных достижениях, достигнутых в течение последнего столетия, важно различать морфогенез (способ создания форм) и морфологию (реализованные формы).

Морфогенез

Важные концептуальные изменения в формах произошли от д'Арси Томпсон Эссе (1917 г.) о формах в природе. Они считались не статичными, а результатом морфогенетических факторов. Не познаваемая по своей интимной природе, форма определяется как простой результат сил. Том (1974), основатель «теории катастроф» признал, чем он был обязан этой работе. Серия различных разделов нелинейной математики теория катастроф, то фрактальная теория, теория «диссипативных структур», теория хаоса привели к тому, что Буто (1993) назвал «морфологической революцией», которая глубоко изменила представление о формах в пространстве. Теоретическая нейроморфология отвергает морфогенез (способ создания форм), чтобы ограничить его цель реализованными формами.

Нейроморфология

Несмотря на некоторые результаты, пространство и формы часто не считались восприимчивыми к передаче информации о функционировании нервной системы. Нейроморфология еще интенсивно изучалась после открытия Гольджи метод, позволяющий видеть целые нейроны. Это привело к появлению большого количества литературы с описаниями и рисунками. Это позволило Рамон-и-Кахал (1911), чтобы окончательно обосновать «теорию нейронов» (мозг состоит из отдельных клеток, которые взаимодействуют друг с другом) и сформулировать закон «динамической поляризации» (в направлении аксона). Вместе с другими он указал на разнообразие паттернов нейронов, зависящих от определенных участков головного мозга, и уже выдвинул гипотезы о ролях, которые могут играть определенные формы. Позже было сделано несколько попыток. Одним из шагов стала работа Маннена (1960) о закрытых и открытых ядрах, вновь настаивающих на морфологии дендритов. За этим последовало несколько работ Рамона-Молинера, определяющих типы нейронов в соответствии с их дендритным ветвлением.

Формализация

Подход естественных форм был предложен Стивенсом (1974), который попытался рационально провести классификацию форм и найти их специфические свойства и преимущества с точки зрения непосредственности или экономии способов. Спустя почти столетие значительный свод теоретических инструментов, которые все еще плохо используются, оказался очень полезным для понимания нервной системы. Эти инструменты, как правило, можно классифицировать как «логические» или, в более узком смысле, «логико-математические». Как будет видно, наиболее полезными для теоретической нейроморфологии, наряду с геометрией для метрических параметров, являются теория множеств, то теория систем, то теория графов.

Теоретические инструменты

Общая морфология

Классические традиционные формы исходили из евклидовой геометрии и могли быть описаны с помощью евклидовой геометрии, например, по отношению к картезианскому тригеру (один перпендикулярный топор для трех «измерений»). Эти формы могут иметь материальные реализации (кубики, шары ...). Однако многие природные объекты не могут быть удовлетворительно описаны с помощью евклидовой геометрии. Многие из них, например, фракталы (Мандельброт, 1983), потому что они разветвлены, имеют отверстия или слишком ломкие и т. Д. В их случае три измерения больше не связаны линейно. Это особенно актуально для поверхностей и объемов. Как уже подчеркивал Стивенс (1974), некоторые морфологические закономерности могут дать определенные преимущества. В качестве примера можно привести две крайности, когда поверхность предметов имеет фундаментальное значение. Поверхность - это место обмена предметами между внутренним и внешним. В случае, когда более выгодно иметь минимальный обмен, выбранная форма обычно является яйцевидной (например, яйца, зерна, фрукты, китообразные и т. Д. Со сферой в качестве идеального предела), которая для данного объема ограничивает поверхность до минимума. Когда обмен является принципиально важным, необходима минимальная стоимость материала. Двойное ветвление значительно увеличивает поверхность без значительного увеличения объема вещества. Это касается растительных деревьев и сосудистой, легочной и мочевыводящей систем. Нервную систему можно рассматривать как систему обмена между испускающими и принимающими бинарными ветвлениями, предлагающую огромный комбинаторный диапазон.

Идентификация и классификация

Одна из проблем нейроморфологии состоит в том, что она должна описывать не один объект, мозг, а средний мозг. Это оправдывает широкое использование статистики.

Тайнер (1975) и Роу и Стоун (1977) проанализировали концептуальные основы, которые необходимо учитывать в процессе классификации нейронов. Они настаивали на необходимости разделения классификации и идентификации.

Классификации должны быть основаны на многофакторных методах и быть иерархическими (в соответствии с таксономией двухсотлетних животных). Когда было проведено множество наименований или определений характеристик сомы, стало ясно, что только количественное исследование полных дендритных разветвлений могло предложить средства для нейтральной нейрональной систематики. Особый вид группы нейронов в локализованной части мозга у одного вида животных называется группой нейронов. виды нейронов. Когда нейроны примерно такой же морфологии наблюдаются в одном и том же месте у другого вида животных, это род нейронов. Это также нейрональные семьи и так далее. Например, колючие нейроны полосатого тела макака относятся к одному виду. Вместе с человеком и / или другими видами они образуют род. Статистические сравнения позволяют проанализировать, что осталось прежним или что изменилось в процессе эволюции.

Исходя из объективно определенных нейронов, стало возможным составлять нейрональные множества.

Нейронные наборы

Наборы

«Теория множества лежит в основе практически всех разделов математики» (Кан, 1995). Теория множеств внесла большие изменения в способы анализа и рассуждений. Это начинается с простых понятий. Например, «набор - это набор элементов» (Кан, 1995), который интуитивно понятен и не требует демонстрации. Элементы должны быть членами множества. Конкретный набор определяется общими свойствами его элементов. Это поднимает проблемы сходства и, наконец, типологии и классификации.

Нейронные наборы

Наборы нейронов могут быть наборами целых нейронов или частей нейронов.

Теоретическая годология

Нейронные системы

Наша способность думать, реагировать и запоминать зависит от функции нервной системы. Мы не можем понять человеческий мозг, не выяснив сначала свойства и функции его основных единичных элементов, нейронов.

Это сложные и специализированные клетки. Однако улучшенное понимание клеточной эволюции, достигнутое за последние несколько лет, показало, что даже самые сложные и уникальные свойства нервных клеток представляют собой адаптацию основных функций, наблюдаемых во всех эукариотических клетках, включая одноклеточные организмы. Таким образом, клеточная нейробиология стала важной главой клеточной биологии. Исследования нейронов во многом основаны на прогрессе фундаментальной клеточной биологии. И наоборот, исследования специализированных свойств нейронов приводят к серьезным последствиям в других областях биологии. Проекты клеточной нейробиологии в отделении сосредоточены на механизмах мембранного движения в синапсах, на развитии и поддержании клеточной полярности, а также на механизмах, ответственных за гетерогенное распределение органелл и макромолекул в цитоплазме нейронов. Также исследуются формирование и пластичность синапсов. В соответствии с традициями кафедры, вопросы в этих областях рассматриваются в междисциплинарной манере с использованием генетики, биохимии белков и липидов, молекулярной биологии и современных методов световой и электронной микроскопии. Экспериментальные системы включают модели мышей, культивируемые нейроны, большие модели синапсов, изолированные синаптические препараты и бесклеточные системы. Особое внимание уделяется взаимодействию между этим фундаментальным исследованием и болезнью.

Теоретическая нейроморфология - Theoretical neuromorphology

Содержание

История

Морфогенез

Нейроморфология

Формализация

Теоретические инструменты

Общая морфология

Идентификация и классификация

Нейронные наборы

Наборы

Нейронные наборы

Теоретическая годология

Нейронные системы

Рекомендации