Les neurones sont un groupe spécial de cellules du corps qui distribuent des informations dans tout le corps. Grâce à des signaux électriques et chimiques, ils aident le cerveau à coordonner toutes les fonctions vitales.
Pour faire simple, les tâches du système nerveux consistent à collecter des signaux provenant de l'environnement ou du corps, à évaluer la situation, à décider comment y répondre (par exemple, modifier la fréquence cardiaque) et à réfléchir à ce qui se passe. et souvenez-vous-en. Le principal outil pour accomplir ces tâches sont les neurones, tissés dans tout le corps dans un réseau complexe.
On estime en moyenne le nombre de neurones du cerveau à 86 milliards, chacun étant connecté à 1 000 autres neurones. Cela crée un incroyable réseau d’interactions. Le neurone est l'unité de base du système nerveux.
Les neurones (cellules nerveuses) représentent environ 10 % du cerveau, le reste étant constitué de cellules gliales et d'astrocytes, dont la fonction est d'entretenir et de nourrir les neurones.
A quoi ressemble un neurone ?
La structure d’un neurone peut être divisée en trois parties :
· Corps neuronal (soma) – reçoit des informations. Contient le noyau cellulaire.
· Les dendrites sont de courts processus qui reçoivent des informations d'autres neurones.
· Un axone est un long processus qui transporte les informations du corps neuronal vers d'autres cellules. Le plus souvent, l'axone se termine par une synapse (contact) avec les dendrites d'autres neurones.
Les dendrites et les axones sont appelés fibres nerveuses.
La longueur des axones varie considérablement, de quelques millimètres à un mètre ou plus. Les plus longs sont les axones des ganglions spinaux.
Types de neurones
Les neurones peuvent être classés selon plusieurs paramètres, par exemple par structure ou par fonction.
Types de neurones selon la fonction :
· Neurones efférents (moteurs) – transportent les informations du système nerveux central (cerveau et moelle épinière) vers les cellules d'autres parties du corps.
· Neurones afférents (sensibles) – collectent des informations provenant de tout le corps et les transportent vers le système nerveux central.
· Interneurones – transmettent des informations entre neurones, souvent au sein du système nerveux central.
Comment les neurones transmettent-ils les informations ?
Un neurone, recevant des informations d’autres cellules, les accumule jusqu’à dépasser un certain seuil. Après cela, le neurone envoie une impulsion électrique le long de l'axone - un potentiel d'action.
Un potentiel d'action est généré par le mouvement de particules chargées électriquement à travers la membrane axonale.
Au repos, la charge électrique à l’intérieur du neurone est négative par rapport au liquide intercellulaire environnant. Cette différence est appelée potentiel de membrane. Il s'agit généralement de 70 millivolts.
Lorsque le corps du neurone reçoit suffisamment de charge et se déclenche, une dépolarisation se produit dans la section adjacente de l'axone - le potentiel membranaire augmente rapidement puis diminue en 1/1000 de seconde environ. Ce processus déclenche la dépolarisation de la section adjacente de l’axone, et ainsi de suite, jusqu’à ce que l’impulsion parcourt toute la longueur de l’axone. Après le processus de dépolarisation, une hyperpolarisation se produit - un état de repos à court terme ; à ce moment, la transmission des impulsions est impossible.
Le potentiel d'action est le plus souvent généré par les ions potassium (K+) et sodium (Na+), qui se déplacent à travers les canaux ioniques depuis le liquide intercellulaire vers la cellule et inversement, modifiant la charge du neurone et la rendant d'abord positive, puis la réduisant. .
Le potentiel d'action garantit que la cellule fonctionne selon le principe du « tout ou rien », c'est-à-dire que l'impulsion est transmise ou non. Les signaux faibles s'accumuleront dans le corps du neurone jusqu'à ce que leur charge soit suffisante pour la transmission tout au long des processus.
Myéline
La myéline est une substance blanche et épaisse qui recouvre la plupart des axones. Ce revêtement fournit une isolation électrique à la fibre et augmente la vitesse de transmission des impulsions à travers celle-ci.
Fibre myélinisée versus fibre non myélinisée.
La myéline est produite par les cellules de Schwann en périphérie et les oligodendrocytes du système nerveux central. Le long de la fibre, la gaine de myéline est interrompue - ce sont les nœuds de Ranvier. Le potentiel d'action se déplace d'interception en interception, permettant une transmission rapide de l'impulsion.
La sclérose en plaques, maladie courante et grave, est causée par la destruction de la gaine de myéline.
Comment fonctionnent les synapses ?
Les neurones et les tissus auxquels ils transmettent les impulsions ne se touchent pas physiquement ; il y a toujours un espace entre les cellules - une synapse.
Selon la méthode de transmission des informations, les synapses peuvent être chimiques ou électriques.
Synapse chimiqueUne fois que le signal, se déplaçant le long du processus neuronal, atteint la synapse, des substances chimiques - des neurotransmetteurs (neurotransmetteurs) sont libérées dans l'espace entre les deux neurones. Cet espace est appelé la fente synaptique.
Schéma de la structure d'une synapse chimique.
Un neurotransmetteur d'un neurone émetteur (présynaptique), entrant dans la fente synaptique, interagit avec les récepteurs de la membrane du neurone récepteur (postsynaptique), déclenchant toute une chaîne de processus.
Types de synapses chimiques :
· glutamatergique – le médiateur est l'acide glutamique, qui a un effet excitant sur la synapse ;
· GABAergique – le médiateur est l'acide gamma-aminobutyrique (GABA), a un effet inhibiteur sur la synapse ;
· cholinergique – le médiateur est l'acétylcholine, qui assure la transmission neuromusculaire de l'information ;
Adrénergique – le médiateur est l’adrénaline.
Synapses électriques
Les synapses électriques sont moins fréquentes et fréquentes dans le système nerveux central. Les cellules communiquent via des canaux protéiques spéciaux. Les membranes présynaptiques et post-synaptiques des synapses électriques sont proches les unes des autres, de sorte que l'impulsion peut passer directement de cellule à cellule.
La vitesse de transmission des impulsions à travers les synapses électriques est beaucoup plus élevée que par les synapses chimiques, elles se situent donc principalement dans les zones où une réaction rapide est nécessaire, par exemple celles responsables des réflexes de protection.
Autre différence entre les deux types de synapses dans le sens de la transmission de l'information : si les synapses chimiques ne peuvent transmettre des impulsions que dans un seul sens, alors les synapses électriques sont universelles en ce sens.
Conclusion
Les neurones sont peut-être les cellules les plus inhabituelles du corps. Chaque action effectuée par le corps humain est assurée par le travail des neurones. Un réseau neuronal complexe façonne la personnalité et la conscience. Ils sont responsables à la fois des réflexes les plus primitifs et des processus les plus complexes associés à la pensée.
Notre cerveau possède 100 milliards de neurones, soit plus que les étoiles de notre galaxie ! Chaque cellule, à son tour, peut produire 200 000 branches.
Ainsi, le cerveau dispose d’énormes ressources pour stocker des souvenirs pendant environ 3 millions d’années. Les scientifiques appellent cela « les arbres magiques de l’esprit » parce que les cellules nerveuses du cerveau ressemblent à des arbres ramifiés.
Les impulsions électriques mentales entre les neurones sont transmises par les synapses – zones de contact entre les neurones. Le neurone du cerveau humain moyen possède entre 1 000 et 10 000 synapses, ou contacts, avec les neurones voisins. Les synapses ont un petit espace que l'impulsion doit traverser.
Lorsque nous apprenons, nous modifions la façon dont notre cerveau fonctionne, créant ainsi de nouvelles voies pour les impulsions électriques mentales. Dans ce cas, le signal électrique doit « sauter » à travers l’espace synapse pour former de nouvelles connexions entre les cellules nerveuses. Cette route est la plus difficile à parcourir pour lui la première fois, mais au fur et à mesure qu'il apprend, lorsque le signal traverse la synapse encore et encore, les connexions deviennent plus larges et plus fortes, le nombre de synapses et de connexions entre les neurones augmente. De nouveaux microréseaux neuronaux se forment, dans lesquels de nouvelles connaissances sont « intégrées » : croyances, habitudes, comportements. Et puis nous avons finalement appris quelque chose. Cette capacité cérébrale est appelée neuroplasticité.
C’est le nombre de microréseaux dans le cerveau, et non son volume ou sa masse, qui a une influence décisive sur ce que l’on appelle l’intelligence.
Au passage, je voudrais souligner que dans la petite enfance, lorsque se déroule la période d'apprentissage la plus intensive, un environnement de développement riche et diversifié est extrêmement important pour l'enfant.
La neuroplasticité est l’une des découvertes les plus étonnantes de ces dernières années. Auparavant, on croyait que les cellules nerveuses ne se régénèrent pas. Mais en 1998, un groupe de scientifiques américains a prouvé que la neurogenèse se produit non seulement avant l'âge de 13-14 ans, mais tout au long de notre vie, et que de nouvelles cellules nerveuses peuvent également apparaître chez les adultes.
Ils ont découvert que la raison du déclin de nos capacités mentales avec l'âge n'est pas la mort des cellules nerveuses, mais l'épuisement des dendrites, les processus des cellules nerveuses par lesquels les impulsions passent d'un neurone à l'autre. Si les dendrites ne sont pas constamment stimulées, elles s’atrophient et perdent leur capacité de conduction, comme les muscles sans activité physique.
Les mêmes actions quotidiennes créent un comportement structuré – nos habitudes – tandis que les mêmes connexions neuronales sont utilisées et renforcées. C’est ainsi que notre « pilote automatique » est intégré, mais en même temps la flexibilité de notre réflexion en souffre.
Notre cerveau a besoin d'exercice. Il est nécessaire chaque jour de remplacer les actions routinières et structurées par des actions nouvelles et inhabituelles qui font appel à plusieurs sens.; effectuer des actions ordinaires de manière inhabituelle, résoudre de nouveaux projets, en essayant de s'éloigner du « pilote automatique » des schémas familiers. L'habitude affaiblit les capacités du cerveau. Pour travailler de manière productive, il a besoin de nouvelles impressions, de nouvelles tâches, de nouvelles informations - en un mot - de changement.
Jusqu'en 1998, on croyait que la croissance des dendrites ne se produisait qu'au début de la vie, mais la recherche a prouvé que même chez les adultes, les neurones sont capables de développer des dendrites pour compenser la perte des anciennes. Il a été prouvé que les réseaux neuronaux sont capables de changer tout au long de la vie d’une personne et que notre cerveau stocke d’énormes ressources de neuroplasticité – la capacité de modifier sa structure.
On sait que notre cerveau est constitué de tissu embryonnaire, c'est-à-dire du tissu dont est constitué l'embryon. Il est donc toujours ouvert au développement, à l’apprentissage et à l’avenir.
Le cerveau est capable de modifier la structure et la fonction de la matière grise grâce à de simples pensées, imagination et visualisation. Les scientifiques sont convaincus que cela peut se produire même sans influences extérieures. Le cerveau peut changer sous le pouvoir des pensées dont il est rempli, l'esprit a le pouvoir d'influencer le cerveau. Notre cerveau est conçu par la nature en gardant à l’esprit l’apprentissage et des changements similaires.
La Bible dit : « Soyez transformés par le renouvellement de votre esprit. »
Tout ce qui précède nous amène à comprendre que pour vraiment atteindre vos objectifs, il faut un changement fondamental dans la façon dont votre cerveau fonctionne - en surmontant le programme génétique et l'éducation antérieure avec toutes les croyances à long terme. Vous ne devez pas seulement chérir des pensées dans votre imagination qui ne sont pas présentes plus longtemps que le « ça y est, je ne bois plus » du Nouvel An, mais vous devez recycler votre cerveau, en créant de nouvelles structures neuronales. Les neurologues disent : "Les neurones qui se rassemblent vivent ensemble." Les nouvelles structures neuronales de votre cerveau créeront des réseaux entièrement nouveaux, des « schémas fonctionnels », adaptés pour résoudre de nouveaux problèmes.
"Votre travail consiste à combler le fossé entre vous et vos objectifs souhaités."
Comte Rossignol
Ce processus peut être illustré métaphoriquement avec l’exemple suivant. Pensez à votre cerveau et à ses croyances limitantes comme à un verre d’eau trouble. Si vous jetiez immédiatement l’eau sale, lavez le verre et le remplissez d’eau propre, ce serait un choc pour tout votre corps. Mais en plaçant le verre sous un jet d’eau propre, vous remplacerez progressivement l’eau trouble.
De la même manière, pour enseigner au cerveau une nouvelle façon de penser, il n’est pas nécessaire d’« effacer » d’un coup l’ancienne. Il est nécessaire de « remplir » progressivement le subconscient de nouvelles croyances, habitudes et qualités positives, qui à leur tour généreront des solutions efficaces, vous conduisant aux résultats souhaités.
Pour maintenir des performances élevées, notre cerveau, comme notre corps, a besoin d’un « exercice physique ». Le professeur de neurobiologie Lawrence Katz (États-Unis) a développé une série d'exercices pour le cerveau - la neurobic, qui nous permet d'avoir une bonne forme « mentale ».
Les exercices de neurobic font nécessairement appel aux cinq sens humains, et ce d'une manière inhabituelle et selon des combinaisons différentes. Cela aide à créer de nouvelles connexions neuronales dans le cerveau. Dans le même temps, notre cerveau commence à produire de la neurotropine, une substance qui favorise la croissance de nouvelles cellules nerveuses et les connexions entre elles. Votre tâche est de remplacer chaque jour les actions habituelles et structurées par de nouvelles et inhabituelles.
Le but des exercices de neurobics est de stimuler le cerveau. Faire de la neurobic est simple : vous devez vous assurer que vos sens sont impliqués d'une nouvelle manière lors de vos activités habituelles.
Par exemple:
- Au réveil le matin, prenez une douche les yeux fermés,
- brossez-vous les dents avec l'autre main,
- essayez de vous habiller au toucher,
- prendre un nouvel itinéraire pour aller au travail,
- faites vos courses habituelles dans un nouveau lieu et bien plus encore.
C'est un jeu amusant et utile.
La neurobic est utile pour absolument tout le monde. Cela aidera les enfants à mieux se concentrer et à absorber de nouvelles connaissances, et les adultes aideront à garder leur cerveau en excellente forme et à éviter la détérioration de la mémoire.
Le principe principal de la neurobique est de changer constamment des actions simples.
Donnez à votre cerveau la tâche de résoudre des problèmes familiers d'une manière inhabituelle, et progressivement il vous remerciera avec d'excellentes performances.
Donc, nous sommes capables d’entraîner notre cerveau à de nouvelles façons de penser. À mesure que vous commencerez à changer vos schémas et vos croyances, vous verrez qu’en changeant de l’intérieur, vous commencerez à tout changer autour de vous, comme si vous créiez l’effet de vagues divergentes.
N'oubliez pas : le succès externe est toujours un dérivé du succès interne.
Jésus a enseigné : "Comme vous le pensez, il en sera de même pour vous."
C’est ainsi qu’une nouvelle « Matrice » de votre pensée est créée, qui vous mène au Changement.
Notre corps est constitué d’innombrables cellules. Environ 100 000 000 d’entre eux sont des neurones. Que sont les neurones ? Quelles sont les fonctions des neurones ? Souhaitez-vous découvrir quelle tâche ils effectuent et ce que vous pouvez en faire ? Regardons cela plus en détail.
Fonctions des neurones
Avez-vous déjà réfléchi à la manière dont les informations transitent à travers notre corps ? Pourquoi, si quelque chose nous fait mal, retirons-nous immédiatement et inconsciemment notre main ? Où et comment reconnaissons-nous ces informations ? Ce sont toutes les actions des neurones. Comment comprenons-nous que ceci est froid, et ceci est chaud... et cela est doux ou épineux ? Les neurones sont chargés de recevoir et de transmettre ces signaux dans tout notre corps. Dans cet article, nous parlerons en détail de ce qu'est un neurone, de quoi il consiste, quelle est la classification des neurones et comment améliorer leur formation.
Concepts de base des fonctions des neurones
Avant de parler des fonctions des neurones, il est nécessaire de définir ce qu'est un neurone et en quoi il consiste.
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La capacité des cellules à répondre aux stimuli du monde extérieur est le critère principal d'un organisme vivant. Les éléments structurels du tissu nerveux - les neurones des mammifères et des humains - sont capables de transformer les stimuli (lumière, odeur, ondes sonores) en processus d'excitation. Son résultat final est une réaction adéquate du corps en réponse à diverses influences environnementales. Dans cet article, nous étudierons la fonction des neurones du cerveau et des parties périphériques du système nerveux, et examinerons également la classification des neurones en relation avec les caractéristiques de leur fonctionnement dans les organismes vivants.
Formation de tissu nerveux
Avant d’étudier les fonctions d’un neurone, comprenons comment se forment les cellules neurocytaires. Au stade neurula, l’embryon développe un tube neural. Il est formé d'une couche ectodermique qui présente un épaississement - la plaque neurale. L’extrémité élargie du tube formera en outre cinq parties sous forme de bulles cérébrales. Parmi ceux-ci, la partie principale du tube neural se forme au cours du développement embryonnaire, à partir de laquelle naissent 31 paires de nerfs.
Les neurones du cerveau s'unissent pour former des noyaux. 12 paires de nerfs crâniens en émergent. Dans le corps humain, le système nerveux se différencie en une section centrale - le cerveau et la moelle épinière, constituée de cellules neurocytaires, et de tissus de soutien - la névroglie. La section périphérique est constituée d'une partie somatique et végétative. Leurs terminaisons nerveuses innervent tous les organes et tissus du corps.
Les neurones sont des unités structurelles du système nerveux
Ils ont des tailles, des formes et des propriétés différentes. Les fonctions d'un neurone sont diverses : participation à la formation des arcs réflexes, perception de l'irritation du milieu extérieur, transmission de l'excitation qui en résulte à d'autres cellules. Plusieurs processus s'étendent à partir du neurone. Le long est un axone, les courts se ramifient et sont appelés dendrites.
Des études cytologiques ont révélé dans le corps d'une cellule nerveuse un noyau avec un ou deux nucléoles, un réticulum endoplasmique bien formé, de nombreuses mitochondries et un puissant appareil de synthèse de protéines. Il est représenté par des ribosomes et des molécules d'ARN et d'ARNm. Ces substances forment une structure spécifique de neurocytes - la substance de Nissl. La particularité des cellules nerveuses - un grand nombre de processus - contribue au fait que la fonction principale d'un neurone est la transmission, assurée à la fois par des dendrites et un axone. Les premiers perçoivent les signaux et les transmettent au corps du neurocyte, et l'axone, le seul processus très long, conduit l'excitation vers d'autres cellules nerveuses. Continuant à trouver la réponse à la question : quelle fonction remplissent les neurones, tournons-nous vers la structure d'une substance telle que la névroglie.
Structures du tissu nerveux
Les neurocytes sont entourés d'une substance spéciale qui possède des propriétés de soutien et de protection. Il possède également une capacité caractéristique à se diviser. Cette connexion est appelée névroglie.
Cette structure est en relation étroite avec les cellules nerveuses. Étant donné que les fonctions principales d'un neurone sont la génération et la conduction de l'influx nerveux, les cellules gliales sont influencées par le processus d'excitation et modifient leurs caractéristiques électriques. En plus de leurs fonctions trophiques et protectrices, les cellules gliales assurent des réactions métaboliques dans les neurocytes et contribuent à la plasticité du tissu nerveux.
Le mécanisme d'excitation dans les neurones
Chaque cellule nerveuse forme plusieurs milliers de contacts avec d'autres neurocytes. Les impulsions électriques, qui sont à la base des processus d'excitation, sont transmises depuis le corps neuronal le long de l'axone et entrent en contact avec d'autres éléments structurels du tissu nerveux ou pénètrent directement dans l'organe de travail, par exemple dans un muscle. Pour établir quelle fonction remplissent les neurones, il est nécessaire d'étudier le mécanisme de transmission de l'excitation. Elle est réalisée par les axones. Dans les nerfs moteurs, ils sont recouverts et sont appelés pulpeux. Il y a des processus non myélinisés. À travers eux, l'excitation doit pénétrer dans le neurocyte voisin.
Qu'est-ce qu'une synapse
Le point de contact entre deux cellules s’appelle une synapse. Le transfert d'excitation s'y produit soit à l'aide de substances chimiques - médiateurs, soit par le passage d'ions d'un neurone à un autre, c'est-à-dire par des impulsions électriques.
Grâce à la formation de synapses, les neurones créent une structure maillée entre le tronc cérébral et la moelle épinière. On l'appelle commence à partir de la partie inférieure de la moelle allongée et implique les noyaux du tronc cérébral, ou neurones du cerveau. La structure maillée maintient l'état actif du cortex cérébral et contrôle les actes réflexes de la moelle épinière.
Intelligence artificielle
L'idée des connexions synaptiques entre les neurones du système nerveux central et l'étude des fonctions de l'information réticulaire est actuellement incarnée par la science sous la forme d'un réseau neuronal artificiel. Dans celui-ci, les sorties d'une cellule nerveuse artificielle sont connectées aux entrées d'une autre par des connexions spéciales qui dupliquent leurs fonctions de véritables synapses. La fonction d'activation d'un neurone d'un neuroordinateur artificiel est la somme de tous les signaux d'entrée entrant dans la cellule nerveuse artificielle, convertis en une fonction non linéaire de la composante linéaire. On l'appelle également fonction d'actionnement (de transfert). Lors de la création de l'intelligence artificielle, les fonctions d'activation linéaires, semi-linéaires et par étapes d'un neurone sont devenues les plus répandues.
Neurocytes afférents
Ils sont également appelés sensibles et possèdent des processus courts qui pénètrent dans les cellules de la peau et dans tous les organes internes (récepteurs). Percevant l'irritation de l'environnement extérieur, les récepteurs les transforment en processus d'excitation. Selon le type de stimulus, les terminaisons nerveuses sont divisées en : thermorécepteurs, mécanorécepteurs, nocicepteurs. Ainsi, les fonctions du neurone sensoriel sont la perception des stimuli, leur discrimination, la génération de l'excitation et sa transmission au système nerveux central. Les neurones sensoriels pénètrent dans la corne dorsale de la moelle épinière. Leurs corps sont situés dans des nœuds (ganglions) situés à l'extérieur du système nerveux central. C'est ainsi que se forment les ganglions des nerfs crâniens et spinaux. Les neurones afférents possèdent un grand nombre de dendrites ; avec l'axone et le corps, ils constituent une composante essentielle de tous les arcs réflexes. Les fonctions consistent donc à la fois à transmettre le processus d'excitation au cerveau et à la moelle épinière, et à participer à la formation des réflexes.
Caractéristiques de l'interneurone
En continuant à étudier les propriétés des éléments structurels du tissu nerveux, nous découvrirons quelle fonction remplissent les interneurones. Ce type de cellule nerveuse reçoit des impulsions bioélectriques du neurocyte sensoriel et les transmet :
a) d'autres interneurones ;
b) les neurocytes moteurs.
La plupart des interneurones ont des axones dont les sections terminales sont reliées aux neurocytes d'un centre.
Le neurone intercalaire, dont les fonctions sont l'intégration de l'excitation et sa propagation dans certaines parties du système nerveux central, est un composant obligatoire de la plupart des arcs nerveux réflexes inconditionnés et réflexes conditionnés. Les interneurones excitateurs favorisent la transmission du signal entre les groupes fonctionnels de neurocytes. Les cellules nerveuses intercalaires inhibitrices reçoivent une excitation de leur propre centre via des connexions de rétroaction. Cela contribue au fait que l'interneurone, dont les fonctions sont la transmission et la préservation à long terme de l'influx nerveux, assure l'activation des nerfs sensoriels de la colonne vertébrale.
Fonction du motoneurone
Le motoneurone est la dernière unité structurelle de l’arc réflexe. Il possède un grand corps enfermé dans les cornes antérieures de la moelle épinière. Les cellules nerveuses qui innervent portent les noms de ces éléments moteurs. D'autres neurocytes efférents pénètrent dans les cellules sécrétrices des glandes et provoquent la libération des substances correspondantes : sécrétions, hormones. Dans les actes involontaires, c'est-à-dire inconditionnellement réflexes (déglutition, salivation, défécation), les neurones efférents s'étendent à partir de la moelle épinière ou du tronc cérébral. Pour effectuer des actions et des mouvements complexes, le corps utilise deux types de neurocytes centrifuges : le moteur central et le moteur périphérique. Le corps du motoneurone central est situé dans le cortex cérébral, près de la fissure rolandique.
Les corps des neurocytes moteurs périphériques, innervant les muscles des membres, du tronc et du cou, sont situés dans les cornes antérieures de la moelle épinière et leurs longs processus - les axones - émergent des racines antérieures. Ils forment les fibres motrices de 31 paires de nerfs spinaux. Les neurocytes moteurs périphériques innervant les muscles du visage, du pharynx, du larynx et de la langue sont situés dans les noyaux des nerfs crâniens vague, hypoglosse et glossopharyngé. Par conséquent, la fonction principale du motoneurone est la conduction sans entrave de l'excitation vers les muscles, les cellules sécrétantes et d'autres organes de travail.
Métabolisme dans les neurocytes
Les principales fonctions d'un neurone - la formation d'énergie bioélectrique et sa transmission à d'autres cellules nerveuses, muscles, cellules sécrétantes - sont déterminées par les caractéristiques structurelles du neurocyte, ainsi que par des réactions métaboliques spécifiques. Des études cytologiques ont prouvé que les neurones contiennent un grand nombre de mitochondries qui synthétisent des molécules d'ATP, un réticulum granulaire développé avec de nombreuses particules ribosomales. Ils synthétisent activement les protéines cellulaires. La membrane d'une cellule nerveuse et ses processus - l'axone et les dendrites - remplissent la fonction de transport sélectif de molécules et d'ions. Les réactions métaboliques dans les neurocytes se produisent avec la participation de diverses enzymes et sont caractérisées par une intensité élevée.
Transmission de l'excitation au niveau des synapses
Considérant le mécanisme d'excitation dans les neurones, nous nous sommes familiarisés avec les synapses - des formations qui apparaissent au point de contact de deux neurocytes. Les excitations dans la première cellule nerveuse sont provoquées par la formation de molécules de substances chimiques - médiateurs - dans les collatérales de son axone. Ceux-ci comprennent les acides aminés, l'acétylcholine et la noradrénaline. Libéré des vésicules des terminaisons synoptiques dans la fente synoptique, il peut influencer à la fois sa propre membrane postsynaptique et les membranes des neurones voisins.
Les molécules de neurotransmetteurs servent de stimulus à une autre cellule nerveuse, provoquant des changements de charge dans sa membrane – un potentiel d'action. Ainsi, l’excitation se propage rapidement le long des fibres nerveuses et atteint certaines parties du système nerveux central ou pénètre dans les muscles et les glandes, les faisant agir de manière adéquate.
Plasticité neuronale
Les scientifiques ont découvert qu'au cours de l'embryogenèse, notamment au stade de la neurulation, un très grand nombre de neurones primaires se développent à partir de l'ectoderme. Environ 65 % d’entre eux meurent avant la naissance. Au cours de l’ontogenèse, certaines cellules cérébrales continuent d’être éliminées. Il s’agit d’un processus naturel programmé. Les neurocytes, contrairement aux cellules épithéliales ou conjonctives, sont incapables de se diviser et de se régénérer, puisque les gènes responsables de ces processus sont inactivés dans les chromosomes humains. Cependant, les performances cérébrales et mentales peuvent persister pendant de nombreuses années sans déclin significatif. Cela s'explique par le fait que les fonctions d'un neurone, perdues au cours de l'ontogenèse, sont reprises par d'autres cellules nerveuses. Ils doivent augmenter leur métabolisme et créer de nouvelles connexions nerveuses supplémentaires pour compenser les fonctions perdues. Ce phénomène est appelé plasticité neurocytaire.
Ce qui se reflète dans les neurones
À la fin du XXe siècle, un groupe de neurophysiologistes italiens a établi un fait intéressant : un reflet miroir de la conscience est possible dans les cellules nerveuses. Cela signifie qu'un fantôme de la conscience des personnes avec lesquelles nous communiquons se forme dans le cortex cérébral. Les neurones inclus dans le système miroir servent de résonateurs de l'activité mentale des personnes environnantes. Ainsi, une personne est capable de prédire les intentions de son interlocuteur. La structure de ces neurocytes fournit également un phénomène psychologique particulier appelé empathie. Il se caractérise par la capacité de pénétrer le monde émotionnel d'une autre personne et de sympathiser avec ses sentiments.
Avec ma vision du fonctionnement du cerveau et des voies possibles pour créer une intelligence artificielle. Depuis, des progrès significatifs ont été réalisés. Certaines choses ont été mieux comprises, d’autres ont été modélisées sur ordinateur. Ce qui est bien, c’est qu’il y a des personnes partageant les mêmes idées qui participent activement au projet.
Dans cette série d'articles, nous prévoyons de parler du concept d'intelligence sur lequel nous travaillons actuellement et de démontrer quelques solutions fondamentalement nouvelles dans le domaine de la modélisation du fonctionnement du cerveau. Mais pour que le récit soit clair et cohérent, il contiendra non seulement une description de nouvelles idées, mais également une histoire sur le travail du cerveau en général. Certaines choses, surtout au début, peuvent paraître simples et connues, mais je vous conseille de ne pas les sauter, car elles déterminent en grande partie l'évidence globale du récit.
Comprendre le cerveau
Les cellules nerveuses, également appelées neurones, ainsi que leurs fibres qui transmettent les signaux, forment le système nerveux. Chez les vertébrés, la majeure partie des neurones est concentrée dans la cavité crânienne et le canal rachidien. C'est ce qu'on appelle le système nerveux central. En conséquence, le cerveau et la moelle épinière sont distingués en tant que composants.
La moelle épinière collecte les signaux de la plupart des récepteurs du corps et les transmet au cerveau. A travers les structures du thalamus, ils sont distribués et projetés sur le cortex cérébral.
Outre les hémisphères cérébraux, le cervelet, qui est essentiellement un petit cerveau indépendant, traite également les informations. Le cervelet assure la motricité fine et la coordination de tous les mouvements.
La vision, l’ouïe et l’odorat fournissent au cerveau un flux d’informations sur le monde extérieur. Chacune des composantes de ce flux, ayant parcouru son propre trajet, est également projetée sur le cortex. Le cortex est une couche de matière grise de 1,3 à 4,5 mm d'épaisseur qui constitue la surface externe du cerveau. En raison des circonvolutions formées par les plis, l'écorce est tassé de telle sorte qu'elle occupe trois fois moins de surface que lorsqu'elle est aplatie. La superficie totale du cortex d'un hémisphère est d'environ 7 000 cm².
En conséquence, tous les signaux sont projetés sur le cortex. La projection est réalisée par des faisceaux de fibres nerveuses réparties sur des zones limitées du cortex. La zone sur laquelle sont projetées des informations externes ou des informations provenant d’autres parties du cerveau forme la zone corticale. Selon les signaux reçus par une telle zone, elle possède sa propre spécialisation. Il existe des zones du cortex moteur, des zones sensorielles, des aires de Broca et de Wernicke, des zones visuelles, du lobe occipital, soit une centaine de zones différentes au total.
Dans le sens vertical, l’écorce est généralement divisée en six couches. Ces couches n'ont pas de limites claires et sont déterminées par la prédominance de l'un ou l'autre type cellulaire. Dans différentes zones du cortex, ces couches peuvent s’exprimer différemment, plus fortes ou plus faibles. Mais, de manière générale, on peut dire que le cortex est assez universel, et supposer que le fonctionnement de ses différentes zones obéit aux mêmes principes.
Couches d'écorce
Les signaux voyagent à travers les fibres afférentes jusqu'au cortex. Ils atteignent les niveaux III et IV du cortex, où ils sont répartis entre les neurones les plus proches de l'endroit où est entrée la fibre afférente. La plupart des neurones ont des connexions axonales au sein de leur aire corticale. Mais certains neurones ont des axones qui s’étendent au-delà. Le long de ces fibres efférentes, les signaux sortent du cerveau, par exemple vers les organes exécutifs, ou sont projetés vers d'autres parties du cortex de leur propre hémisphère ou d'un autre hémisphère. Selon la direction de transmission du signal, les fibres efférentes sont généralement divisées en :
- fibres associatives qui relient des zones individuelles du cortex d'un hémisphère ;
- fibres commissurales qui relient le cortex des deux hémisphères ;
- fibres de projection qui relient le cortex aux noyaux des parties inférieures du système nerveux central.
Vous pouvez imaginer le cortex cérébral comme une grande toile découpée en zones distinctes. Le modèle d’activité neuronale dans chaque zone code certaines informations. Des faisceaux de fibres nerveuses formés par des axones s'étendant au-delà de leur zone corticale forment un système de connexions de projection. Certaines informations sont projetées sur chaque zone. De plus, une zone peut recevoir simultanément plusieurs flux d'informations, qui peuvent provenir à la fois de ses propres zones et de l'hémisphère opposé. Chaque flux d'informations est comme une image unique dessinée par l'activité des axones du faisceau nerveux. Le fonctionnement d'une zone distincte du cortex est la réception de multiples projections, la mémorisation de l'information, son traitement, la formation de sa propre image d'activité et la projection ultérieure des informations résultant du travail de cette zone.
Une partie importante du cerveau est constituée de matière blanche. Il est formé par les axones des neurones, créant ces mêmes chemins de projection. Dans l’image ci-dessous, la substance blanche peut être vue comme un espace de lumière entre le cortex et les structures internes du cerveau.
Distribution de la substance blanche dans une section frontale du cerveau
Grâce à l'IRM spectrale diffuse, il a été possible de suivre la direction des fibres individuelles et de construire un modèle tridimensionnel de la connectivité des zones corticales (projet Connectomics).
Les figures ci-dessous donnent une bonne idée de la structure des connexions (Van J. Wedeen, Douglas L. Rosene, Ruopeng Wang, Guangping Dai, Farzad Mortazavi, Patric Hagmann, Jon H. Kaas, Wen-Yih I. Tseng, 2012).
Vue depuis l'hémisphère gauche
Vue arrière
Vue de droite
À propos, en vue arrière, l'asymétrie des trajectoires de projection des hémisphères gauche et droit est clairement visible. Cette asymétrie détermine en grande partie les différences dans les fonctions que les hémisphères acquièrent au fur et à mesure de leur apprentissage.
Neurone
La base du cerveau est le neurone. Naturellement, la modélisation du cerveau à l'aide de réseaux de neurones commence par répondre à la question de savoir quel est le principe de son fonctionnement.
Le fonctionnement d’un vrai neurone repose sur des processus chimiques. Au repos, il existe une différence de potentiel entre l'environnement interne et externe du neurone - le potentiel de membrane, qui est d'environ 75 millivolts. Il se forme grâce au travail de molécules protéiques spéciales qui agissent comme des pompes sodium-potassium. Ces pompes, utilisant l’énergie du nucléotide ATP, chassent les ions potassium vers l’intérieur et les ions sodium hors de la cellule. Puisque la protéine agit comme une ATPase, c’est-à-dire une enzyme qui hydrolyse l’ATP, elle est appelée « ATPase sodium-potassium ». En conséquence, le neurone se transforme en un condensateur chargé avec une charge négative à l’intérieur et une charge positive à l’extérieur.
Diagramme des neurones (Mariana Ruiz Villarreal)
La surface d’un neurone est recouverte de processus de ramification appelés dendrites. Les dendrites sont adjacentes aux terminaisons axonales d’autres neurones. Les endroits où ils se connectent sont appelés synapses. Grâce à l’interaction synaptique, un neurone est capable de répondre aux signaux entrants et, dans certaines circonstances, de générer sa propre impulsion, appelée pointe.
La transmission du signal au niveau des synapses est due à des substances appelées neurotransmetteurs. Lorsqu'un influx nerveux pénètre dans une synapse le long d'un axone, il libère des molécules de neurotransmetteur caractéristiques de cette synapse à partir de vésicules spéciales. Sur la membrane du neurone recevant le signal se trouvent des molécules protéiques - des récepteurs. Les récepteurs interagissent avec les neurotransmetteurs.
Synapse chimique
Les récepteurs situés dans la fente synaptique sont ionotropes. Ce nom souligne le fait qu’il s’agit également de canaux ioniques capables de déplacer des ions. Les neurotransmetteurs agissent sur les récepteurs de telle manière que leurs canaux ioniques s'ouvrent. En conséquence, la membrane se dépolarise ou s'hyperpolarise, selon les canaux affectés et, par conséquent, de quel type de synapse il s'agit. Dans les synapses excitatrices, des canaux s'ouvrent qui permettent aux cations de pénétrer dans la cellule - la membrane est dépolarisée. Dans les synapses inhibitrices, les canaux qui conduisent les anions s'ouvrent, ce qui conduit à une hyperpolarisation de la membrane.
Dans certaines circonstances, les synapses peuvent modifier leur sensibilité, appelée plasticité synaptique. Cela conduit au fait que les synapses d'un neurone acquièrent une sensibilité différente aux signaux externes.
Parallèlement, de nombreux signaux arrivent aux synapses d’un neurone. Les synapses inhibitrices attirent le potentiel membranaire vers l’accumulation de charges à l’intérieur de la cellule. En activant les synapses, on tente au contraire de décharger le neurone (figure ci-dessous).
Excitation (A) et inhibition (B) de la cellule ganglionnaire rétinienne (Nicholls J., Martin R., Wallas B., Fuchs P., 2003)
Lorsque l’activité totale dépasse le seuil d’initiation, une décharge appelée potentiel d’action ou pic se produit. Un pic est une forte dépolarisation de la membrane neuronale, qui génère une impulsion électrique. L'ensemble du processus de génération d'impulsions dure environ 1 milliseconde. De plus, ni la durée ni l'amplitude de l'impulsion ne dépendent de la force des raisons qui l'ont provoquée (figure ci-dessous).
Enregistrement du potentiel d'action d'une cellule ganglionnaire (Nicholls J., Martin R., Wallas B., Fuchs P., 2003)
Après le pic, des pompes ioniques assurent la recapture du neurotransmetteur et la compensation de la fente synaptique. Pendant la période réfractaire qui survient après un pic, le neurone n’est pas capable de générer de nouvelles impulsions. La durée de cette période détermine la fréquence de déclenchement maximale dont le neurone est capable.
Les pics qui surviennent à la suite de l’activité des synapses sont appelés évoqués. Le taux de pointe évoqué code dans quelle mesure le signal entrant correspond au réglage de sensibilité des synapses du neurone. Lorsque les signaux entrants arrivent précisément aux synapses sensibles qui activent le neurone, et que cela n’est pas perturbé par les signaux arrivant aux synapses inhibitrices, la réponse du neurone est maximale. L’image décrite par de tels signaux est appelée stimulus caractéristique du neurone.
Bien entendu, l’idée du fonctionnement des neurones ne doit pas être trop simpliste. Les informations entre certains neurones peuvent être transmises non seulement par des pointes, mais également par des canaux reliant leur contenu intracellulaire et transmettant directement le potentiel électrique. Cette propagation est appelée progressive et la connexion elle-même est appelée synapse électrique. Les dendrites, en fonction de la distance au corps neuronal, sont divisées en proximales (proches) et distales (éloignées). Les dendrites distales peuvent former des sections agissant comme des éléments semi-autonomes. En plus des voies d’excitation synaptique, il existe des mécanismes extrasynaptiques qui provoquent des pics métabotropiques. En plus de l'activité évoquée, il existe également une activité spontanée. Enfin, les neurones du cerveau sont entourés de cellules gliales, qui ont également une influence significative sur les processus en cours.
Le long chemin de l'évolution a créé de nombreux mécanismes que le cerveau utilise dans son travail. Certains d’entre eux peuvent être compris individuellement ; le sens des autres ne devient clair qu’en considérant des interactions assez complexes. Par conséquent, vous ne devez pas considérer la description ci-dessus du neurone comme exhaustive. Pour passer à des modèles plus approfondis, nous devons d’abord comprendre les propriétés « fondamentales » des neurones.
En 1952, Alan Lloyd Hodgkin et Andrew Huxley ont décrit les mécanismes électriques qui déterminent la génération et la transmission des signaux nerveux dans l'axone géant du calmar (Hodgkin, 1952). Qui a reçu le prix Nobel de physiologie ou médecine en 1963. Le modèle Hodgkin-Huxley décrit le comportement d'un neurone à l'aide d'un système d'équations différentielles ordinaires. Ces équations correspondent au processus d'auto-onde dans le milieu actif. Ils prennent en compte de nombreux composants, dont chacun possède son propre analogue biophysique dans une cellule réelle (figure ci-dessous). Les pompes ioniques correspondent à la source de courant I p . La couche lipidique interne de la membrane cellulaire forme un condensateur de capacité Cm. Les canaux ioniques des récepteurs synaptiques assurent la conductivité électrique g n, qui dépend des signaux fournis, variant avec le temps t, et de la valeur globale du potentiel membranaire V. Le courant de fuite des pores membranaires crée un conducteur g L. Le mouvement des ions à travers les canaux ioniques se produit sous l'influence de gradients électrochimiques, qui correspondent à des sources de tension avec des forces électromotrices E n et E L .
Principaux composants du modèle Hodgkin-Huxley
Naturellement, lors de la création de réseaux de neurones, on souhaite simplifier le modèle neuronal, en n'y laissant que les propriétés les plus essentielles. Le modèle simplifié le plus célèbre et le plus populaire est le neurone artificiel McCulloch-Pitts, développé au début des années 1940 (McCulloch J., Pitts W., 1956). 
Neurone formel de McCulloch-Pitts
Des signaux sont envoyés aux entrées d'un tel neurone. Ces signaux sont additionnés et pondérés. Ensuite, une fonction d'activation non linéaire, par exemple sigmoïdale, est appliquée à cette combinaison linéaire. La fonction logistique est souvent utilisée comme fonction sigmoïde : 
Fonction logistique
Dans ce cas, l’activité d’un neurone formel s’écrit
En conséquence, un tel neurone se transforme en un additionneur de seuil. Avec une fonction de seuil suffisamment raide, le signal de sortie du neurone est soit 0, soit 1. La somme pondérée du signal d'entrée et des poids du neurone est la convolution de deux images : l'image du signal d'entrée et l'image décrite par les poids du neurone. Plus la correspondance entre ces images est précise, plus le résultat de convolution est élevé. Autrement dit, le neurone détermine essentiellement la similitude du signal fourni avec l’image enregistrée au niveau de ses synapses. Lorsque la valeur de convolution dépasse un certain niveau et que la fonction seuil passe à un, cela peut être interprété comme une déclaration décisive du neurone selon laquelle il a reconnu l'image présentée.
Les vrais neurones ressemblent en effet quelque peu aux neurones de McCulloch-Pitts. L’amplitude de leurs pics ne dépend pas des signaux au niveau des synapses qui les ont provoqués. Soit Spike existe, soit il n'existe pas. Mais les vrais neurones répondent à un stimulus non pas par une seule impulsion, mais par une séquence d’impulsions. Dans ce cas, la fréquence des impulsions est d'autant plus élevée que l'image caractéristique d'un neurone est reconnue avec précision. Cela signifie que si nous construisons un réseau neuronal à partir de tels additionneurs de seuil, alors, avec un signal d'entrée statique, même s'il donnera un résultat de sortie, ce résultat sera loin de reproduire le fonctionnement des vrais neurones. Afin de rapprocher un réseau de neurones d'un prototype biologique, il faudra simuler le travail en dynamique, en prenant en compte les paramètres temporels et en reproduisant les propriétés fréquentielles des signaux.
Mais vous pouvez suivre un autre chemin. Par exemple, on peut identifier une caractéristique généralisée de l'activité d'un neurone, qui correspond à la fréquence de ses impulsions, c'est-à-dire le nombre de pics sur une certaine période de temps. Si l’on revient à cette description, on peut imaginer un neurone comme un simple additionneur linéaire.
Additionneur linéaire
Les signaux de sortie et, par conséquent, d'entrée de ces neurones ne sont plus dichatomiques (0 ou 1), mais sont exprimés par une certaine quantité scalaire. La fonction d’activation s’écrit alors
Un additionneur linéaire ne doit pas être perçu comme quelque chose de fondamentalement différent d’un neurone à pointe ; il permet simplement de passer à des intervalles de temps plus longs lors de leur modélisation ou de leur description. Et bien que la description des impulsions soit plus correcte, le passage à un additionneur linéaire est dans de nombreux cas justifié par une forte simplification du modèle. De plus, certaines propriétés importantes, difficiles à observer dans un neurone à pointe, sont tout à fait évidentes dans un additionneur linéaire.
