Schnell denken? Es ist alles bis auf das timing: Neue Einblicke in die neuronale Verhalten im Gehirn ebnen können zu identifizieren Lernschwierigkeiten

Erinnere mich gehört zu haben, Menschen genannt zu werden schwächere Schüler durch Lehrer und Eltern? Das oft verwendete Beschreibung von jemandem, der dauert ein bisschen länger, Informationen zu verarbeiten, hat nun eine wissenschaftliche basis für seine Existenz.

Wissenschaftlern der NUS Yong Loo Lin School of Medicine haben herausgefunden, dass die Geschwindigkeit, mit der eine person in der Lage ist, zu begreifen, zu verarbeiten, zu verstehen, Speicherung und Nutzung von Informationen kommt es auf die Geschwindigkeit und das timing, mit denen die Nervenzellen im Gehirn Feuer aus. Je näher die Lücke zwischen dem feuern eines Neurons und dem nächsten ist, desto größer ist die Geschwindigkeit, mit der die Informationen empfangen, gespeichert und gehandelt.

In anderen Worten, wenn es um schnelles denken, das timing macht den Unterschied.

In dieser Entdeckung, Dr. Sreedharan Sajikumar und student, Karen Pang, PhD student Mahima Sharma, post-doctoral-fellow Dr. Krishna Kumar-alle von der Abteilung für Physiologie — und-Mitarbeiter Dr. Thomas Behnisch aus China, grundlegende Informationen über das genaue timing, dass kann kritisch Einfluss auf die Bildung von Gedächtnis-Prozesse. Die Studie wurde veröffentlicht in der renommierten internationalen Fachzeitschrift Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) am 01. März 2019.

Die Fähigkeit zur Anpassung und lernen, mit der Erfahrung, ist eine der faszinierendsten Funktionen des menschlichen Gehirns. Dieses faszinierende organ besteht aus Milliarden von Nervenzellen, die wiederum mit vielen anderen Zellen. Die physikalischen verbindungen zwischen den Neuronen, die sogenannten Synapsen, sind es, wo die Neuronen miteinander kommunizieren. Synapsen sind bemerkenswert Plastik — diese verbindungen zu stärken oder zu Schwächen, dynamisch in Antwort auf eingehende Informationen. Solche Veränderungen in der Wirksamkeit der Synapsen zugrunde liegen, das lernen und die Gedächtnisbildung im Gehirn.

Die NUS-team festgestellt, dass Neuronen im hippocampus, einer Hirnregion, die wichtig für die Gedächtnisbildung, verwenden Sie eine überraschend große Vielfalt von Mechanismen des Lernens. Eine solche form des Lernens, genannt „spike-timing-dependent plasticity (STDP),“ hängt davon ab, das timing jedes paar von elektrischen spikes (elektrische Aktivität dient der übertragung von Informationen innerhalb von Nervenzellen) in das präsynaptische neuron und dem postsynaptischen neuron (Abbildung 1). Eine elektrische spike in das präsynaptische neuron stimuliert die Neuronen zur Freisetzung von Neurotransmittern, die die Reise über die synapse zur Aktivierung der postsynaptischen neuron, wo die Daten umgewandelt und wieder in eine elektrische spike. Wenn die Prä – und postsynaptischen Neuronen gleichzeitig aktiv sind (weniger als 30 Millisekunden auseinander), die verbindungen zwischen Ihnen gestärkt. Allerdings, wenn das präsynaptische neuron feuert, die zuvor von 30 Millisekunden oder mehr, oder, wenn das postsynaptische neuron feuert, die zuvor von mehr als 10 Millisekunden, die verbindungen gestärkt und zu einem geringeren Grad.

Außerdem haben die Forscher gezeigt, dass, wenn die Prä – und postsynaptischen spikes auftreten, zur gleichen Zeit, die Zunahme der synaptischen Stärke, die weiterhin für mehrere Stunden, und die synapse kann sogar stärkt schwache Informationen, so dass es gespeichert wird. Die Wirkung war spezifisch, die Arbeit zur Stärkung dieser synapse, nicht zu verbessern, änderungen in anderen Synapsen. Diese Studie zeigt, wie wichtig die split-second-timing neuronaler Aktivität bei der Gestaltung der Informationsverarbeitung im Gehirn.

Konnten die Forscher erkennen die längerfristigen Auswirkungen der inter-spike-timing, denn Sie untersucht die synaptischen Veränderungen für eine längere Dauer (4 Stunden) über die Dauer beschäftigt, die in früheren Studien, die in der Regel weniger als 1,5 Stunden.

Die STDP-Modell wurde vorgeschlagen, um zu erklären, räumlichen und zeitlichen Abfolge zu lernen. Außerdem, die STDP-Modell kommt in praktisch in verschiedenen Situationen, in denen die Objekt-Identifikation und Entscheidungen müssen schnell erledigt werden, z.B. Projektil Vermeidung oder Freund-Feind-Identifizierung. Zum Beispiel, wenn ein ball fliegt auf uns zu, haben wir das Objekt erkennen und seine Flugbahn von der Reise in ein sehr kleines Zeitfenster, um schnell Maßnahmen ergreifen, um zu vermeiden, getroffen zu werden. Ebenso, wenn wir kommen über eine andere person, wir müssen uns schnell entscheiden, ob Sie ein Freund oder ein Feind. Und diese Anerkennung erfordert die koordinierte Aktion der verschiedenen Bereiche des Gehirns in eine Aktivität, die timing-Fenster erklärt sich durch STDP.

„Leider ist die Fähigkeit für das Gehirn zu ändern in Reaktion auf eine solche präzise timing des Informationsflusses werden kann, fehlt in den Gehirnen von Alzheimer betroffen sind als der hippocampus ist besonders beschädigt in diese häufigste Ursache von Demenz. Diese Studie kann die Grundlage für das Verständnis, wie solche timing-Unterschiede verändern die Funktion des Gehirns und auch wie diese Veränderungen können rückgängig gemacht oder gemildert werden. Dies könnte ermöglichen Klinikern zu helfen, Patienten, die leiden unter Gedächtnisverlust“, sagte Dr. Christopher Chen, Senior Consultant Neurologe, National University Hospital und Direktor der Speicher Altern und Kognition Centre, das National University Health System.

Ein umfassendes Verständnis der Faktoren, die die Form von neuronalen verbindungen ist entscheidend für unser Verständnis der Informationsverarbeitung im Gehirn. Es hilft uns auch zu verstehen, wie Erinnerungen gebildet werden. Darüber hinaus, ein fundiertes Verständnis dieser neuronalen computational Regeln können helfen, den Aufbau der künstlichen Intelligenz-Technologie, z.B. Tiefe neuronale Netze, die inspiriert durch das Gehirn Mechanismen des Lernens.

„Im Falle von Autismus-Spektrum-Störung, einige der neuronalen Systeme sind aktiver als die andere. Dies könnte der Grund sein, warum manche Menschen mit Autismus sind gut bei bestimmten Aufgaben wie Kunst oder Mathematik, haben aber Schwierigkeiten zu sozialisieren. Die Verwendung von künstlicher Intelligenz, es könnte möglich sein, das identifizieren der neuralen Netzwerke, die mehr oder weniger aktiv, und es könnte möglich sein, um die Normalisierung Ihrer Funktion mit STDP Regeln,“ sagte Dr. Sajikumar.

Auf dieser Grundlage ist ein verbessertes Verständnis, wie normale Gehirne berechnen, Informationen und lernen, können die Forscher identifizieren, die Mechanismen, die für die weitere Untersuchung einbezogen werden können in den Bedingungen wie Schizophrenie, Depressionen, Schlaf-Verlust, Schlaganfall, chronische Schmerzen, Behinderung und Alzheimer-Krankheit.