Информационные механизмы нейрона и нейронной памяти
Аннотация
Рассмотрена схема биофизических процессов нейрона и нейронной памяти, основанная на конформационных изменениях соматодендритной мембраны. Показано, что вызываемая этими изменениями "спонтанная" активность нейрона в действительности детерминирована афферентацией, а также комбинаторной и геометрической спецификой синаптического окружения конформационных кластеров. Анализируется рецептивная структура таких кластеров и их реакции на химические и электрические стимулы. Найдена связь биомолекулярных и нейрофизиологических явлений, включая соответствие между тремя конформационными состояниями рецептивных кластеров, и функциями воротных зарядов, определяющих закрытое, открытое и инактивированное состояние ионных кана- лов. Инактивация связана с формированием энграмм. Селективные свойства конформационных локусов отражены в информационной модели, которая позволяет получить информационно-преобразующую функцию нейрона.Литература
Бородкин Ю. С. Нейрофармакологический анализ различных этапов формирования энграмм кратковременной и долгосрочной памяти и проблема неспецифической коннекции. — Механизмы управления памятью. — Л.: Наука, 1979. — 14-24.
Кабаков А. Ю. О природе пейсмекерной активности // Биофизика. 1991. Т. 36. Вып. 4. С 632-639.
Прибрам К. Языки мозга. — М.: Прогресс, 1975. — с.95–96.
Радченко А.Н. Физическое моделирование нейронной памяти как мозаики хемо- и электрорецептивных элементов СД-мембраны // Нейрофизиология. 1974. Т. 6. № 1. — С. 90-97.
Радченко А.Н. Гистерезисные свойства возбудимых мембран — основа нейронной памяти // Биофизика. 1993. Т. 38. Вып. 2. — С. 288–293.
Радченко А.Н. Оптимизация распределенной ассоциативной памяти со случайной организацией // Биофизика. 1993. Т. 38. Вып. 2. — С. 294–299.
Радченко А.Н. Запись, консолидация и воспроизведение в нейронной памяти. — Биофизика. 1993. Т.38. Вып.2. — С. 300-304.
Радченко А.Н. Влияние подвижности воротных зарядов на вольтамперные характеристики возбудимых мембран // Биофизика. 1996. Т. 41. №3. — С. 625–635.
Радченко А.Н. Ассоциативная память. Нейронные сети. Оптимизация нейропроцессоров. — СПб.: Наука, 1998. — 261 с.
Радченко А.Н. Селективные свойства межнейронных соединений и их изменение в процессе инактивации элементов соматодендритной мембраны // Сб. Научных трудов в 3-х частях. Часть 1. — М.: МИФИ. 1999. — С. 168-176.
Радченко А.Н. Биофизические основы нейронной памяти. // Всероссийская научно- техническая конференция «Нейроинформатика — 99».Сб. научных трудов в 3-х частях. Часть 1. — М.: МИФИ. 1999. — С. 176 — 185.
Радченко А.Н. Настройка соматодендритных мембран на афферентные паттерны. Проблемы нейрокибернетики. — Ростов-на-Дону: 1999. — С. 149–152.
Радченко А.Н. Многомерность — без проклятий // International Conference "Intelligent Systems and Information Technologies in Control" IS&TC-2000. — St. Petersburg/Pskov, SPbSTU Publishers, 2000. — Pp. 146–149
Сахаров Д.А. Множественность нейротрансмиттеров: функциональное значение // Журнал эволюционной физиологии и биохимии. — 1990. Т.26. — С.733.
Соколов Е.Н. Нейронные механизмы памяти и обучения. — М.: Наука, 1981. — 140 с.
Шевелев И.А., Левшина И.П. Временная суммация в зрительной системе при электрической стимуляции зрительного нерва // Механизмы кодирования зрительной информации. — М.-Л.: Наука, 1966. — C.41.
Шуранова Ж.П., Гвоздикова З.М. Реакции нейронов сенсомоторной области коры на ее прямое электрическое раздражение // Исследование организации нейронной деятельности в коре больших полушарий головного мозга. — М.: Наука, 1971. — с. 158-180.
Agnati L. F., Fuxe K., Zini I., Lenzi P. L. and Hökfelt T. // Aspects on receptor regulation and isoreceptor identification," Med. Biol. 1980. V. 58. — Pp. 182-187.
Agnati L.F., Zoli M., Stromberg I., Fuxe K. Intercellular communication in the brain: Wiring versus volume transmission. // Neurosci. 1995. V. 69. — Pp. 711-726.
Arhem P. and Johansson S. Spontaneous signaling in small central neurons: mechanisms and roles of spike-amplitude and spike-interval fluctuations // International. Journal Neural Systems. 1996. V. 7. — Pp. 369-376.
Armstrong C.M., Bezanilla F. Inactivation of the sodium cannel // J. Gen.Phisiol. 1979. V. 74. — 691-711.
Avissar S., Amitai G. and Sokolovsky M. // Oligomeric structure of muscarinic receptors is shown by photoaffinity labeling: Subunit assembly may explain high- and low-affinity agonist states," Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1983. V. 80 — 156-159.
Barnes C.A. Involvement of LPT in memory: Are we «searching under the street light»? // Neuron. 1995. V.15. — 751-754.
Chabre M. 1987. The G-protein connection: Is it in the membrane or the cytoplasm? // Trends Biochem. Sci. V. 12:— Pp. 213-215.
Conn P. M., Rogers D. C., Stewart J. M., Niedel J. and Shefield T. Conversion of a gonadotropin- releasing hormone antagonist to an agonist // Nature. 1982. V. 296. — Pp. 653-655.
Contant C., Umbriaco D.,Garcia Ultrastructural characterization of acetylcholine innervation in adault rat neostriatum // Neurosci. 1996. V. 71. P 937-.
Coster H.G.L. Electromechanical stresses and the effect of pH on membrane structure // 1975. BBA. V. 382 — Pp. 142-146.
Habliz J.J. аnd Jonston D. Endogenous nature of spontaneous bursting in hippocampal pyramidal neurons. Cell. Mol. Neurobiol. 1981. V.1. — Pp. 325-334.
Kenakin T. Agonist receptor efficacy I: Mechanisms of efficacy and receptor promiscuity. // Trends. Pharmacol. Sci. 1995. V. 16. — Pp. 188-192.
Kloboucek A., Behrisch A., Faix J. and Sackmann E. Adhesion-Induced Receptor Segregation and Adhesion Plaque Formation: A Model Membrane Study // Biophys J. 1999. V. 77. — Pp. 2311-2328.
Maggio R., Vogel Z. and Wess J. Coexpression studies with mutant muscarinic/adrenergic receptors provide evidence for intermolecular cross-talk" between G-protein-linked receptors. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA.1993. V.90. — Pp. 3103-3107.
Mednikova Yu. S., Karnup S. V., Zhadin M. N. The two models of dendritic propagation // Proceedings of the 1-st International symposium on electrical activity of the brain: Mathematical models & analitical methods. — Puschino, 1997. — P.79.
Nonner W., Rojas E., Stamfly R. Displasement currents in the node of Ranvier // Pflugers Arch. 1975. V. 354. — Pp. 1-18.
Schindler H., Spillecke F. and Neumann E. Different channel properties of Torpedo acetylcholine receptor monomers and dimers reconstituted in planar membranes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1984. V. 81. — Pp. 6222-6226.
Schmidt R. Cell-adhesion molecules in memory formation. — Behavior Brain research. 1995. V. 66. — Pp. 65-72.
Sutor B., Hablitz J.J. Exitatory postsynaptic potentials in rat neocortical neurons in vitro. I. Electrophysiological evidence for two distinct EPSPs. J Neurophysiol. 1989. V. 61. — Pp. 607-620.
Yeramian E., Trautmann A. and Claverie P. Acetylcholine receptors are not functionally independent. "Biophys. J. 1986. V. 50. — Pp. 253-263.
Zoli M., Agnati L. F., Hedlund P., Li X. M., Ferre S. and Fuxe K. Receptor-receptor interactions as an integrative mechanism in nerve cells // Mol. Neurobiol. 1993 V. 7. — Pp. 293-334.
Zoli M., Guidolin D., Fuxe K., Agnati L. F. The receptor mosaic hypothesis of the engram possible relevance of Boolean network modeling // Int. J. Neural Syst. 1996. V. 7. No 4. — Pp. 363-368.
Кабаков А. Ю. О природе пейсмекерной активности // Биофизика. 1991. Т. 36. Вып. 4. С 632-639.
Прибрам К. Языки мозга. — М.: Прогресс, 1975. — с.95–96.
Радченко А.Н. Физическое моделирование нейронной памяти как мозаики хемо- и электрорецептивных элементов СД-мембраны // Нейрофизиология. 1974. Т. 6. № 1. — С. 90-97.
Радченко А.Н. Гистерезисные свойства возбудимых мембран — основа нейронной памяти // Биофизика. 1993. Т. 38. Вып. 2. — С. 288–293.
Радченко А.Н. Оптимизация распределенной ассоциативной памяти со случайной организацией // Биофизика. 1993. Т. 38. Вып. 2. — С. 294–299.
Радченко А.Н. Запись, консолидация и воспроизведение в нейронной памяти. — Биофизика. 1993. Т.38. Вып.2. — С. 300-304.
Радченко А.Н. Влияние подвижности воротных зарядов на вольтамперные характеристики возбудимых мембран // Биофизика. 1996. Т. 41. №3. — С. 625–635.
Радченко А.Н. Ассоциативная память. Нейронные сети. Оптимизация нейропроцессоров. — СПб.: Наука, 1998. — 261 с.
Радченко А.Н. Селективные свойства межнейронных соединений и их изменение в процессе инактивации элементов соматодендритной мембраны // Сб. Научных трудов в 3-х частях. Часть 1. — М.: МИФИ. 1999. — С. 168-176.
Радченко А.Н. Биофизические основы нейронной памяти. // Всероссийская научно- техническая конференция «Нейроинформатика — 99».Сб. научных трудов в 3-х частях. Часть 1. — М.: МИФИ. 1999. — С. 176 — 185.
Радченко А.Н. Настройка соматодендритных мембран на афферентные паттерны. Проблемы нейрокибернетики. — Ростов-на-Дону: 1999. — С. 149–152.
Радченко А.Н. Многомерность — без проклятий // International Conference "Intelligent Systems and Information Technologies in Control" IS&TC-2000. — St. Petersburg/Pskov, SPbSTU Publishers, 2000. — Pp. 146–149
Сахаров Д.А. Множественность нейротрансмиттеров: функциональное значение // Журнал эволюционной физиологии и биохимии. — 1990. Т.26. — С.733.
Соколов Е.Н. Нейронные механизмы памяти и обучения. — М.: Наука, 1981. — 140 с.
Шевелев И.А., Левшина И.П. Временная суммация в зрительной системе при электрической стимуляции зрительного нерва // Механизмы кодирования зрительной информации. — М.-Л.: Наука, 1966. — C.41.
Шуранова Ж.П., Гвоздикова З.М. Реакции нейронов сенсомоторной области коры на ее прямое электрическое раздражение // Исследование организации нейронной деятельности в коре больших полушарий головного мозга. — М.: Наука, 1971. — с. 158-180.
Agnati L. F., Fuxe K., Zini I., Lenzi P. L. and Hökfelt T. // Aspects on receptor regulation and isoreceptor identification," Med. Biol. 1980. V. 58. — Pp. 182-187.
Agnati L.F., Zoli M., Stromberg I., Fuxe K. Intercellular communication in the brain: Wiring versus volume transmission. // Neurosci. 1995. V. 69. — Pp. 711-726.
Arhem P. and Johansson S. Spontaneous signaling in small central neurons: mechanisms and roles of spike-amplitude and spike-interval fluctuations // International. Journal Neural Systems. 1996. V. 7. — Pp. 369-376.
Armstrong C.M., Bezanilla F. Inactivation of the sodium cannel // J. Gen.Phisiol. 1979. V. 74. — 691-711.
Avissar S., Amitai G. and Sokolovsky M. // Oligomeric structure of muscarinic receptors is shown by photoaffinity labeling: Subunit assembly may explain high- and low-affinity agonist states," Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1983. V. 80 — 156-159.
Barnes C.A. Involvement of LPT in memory: Are we «searching under the street light»? // Neuron. 1995. V.15. — 751-754.
Chabre M. 1987. The G-protein connection: Is it in the membrane or the cytoplasm? // Trends Biochem. Sci. V. 12:— Pp. 213-215.
Conn P. M., Rogers D. C., Stewart J. M., Niedel J. and Shefield T. Conversion of a gonadotropin- releasing hormone antagonist to an agonist // Nature. 1982. V. 296. — Pp. 653-655.
Contant C., Umbriaco D.,Garcia Ultrastructural characterization of acetylcholine innervation in adault rat neostriatum // Neurosci. 1996. V. 71. P 937-.
Coster H.G.L. Electromechanical stresses and the effect of pH on membrane structure // 1975. BBA. V. 382 — Pp. 142-146.
Habliz J.J. аnd Jonston D. Endogenous nature of spontaneous bursting in hippocampal pyramidal neurons. Cell. Mol. Neurobiol. 1981. V.1. — Pp. 325-334.
Kenakin T. Agonist receptor efficacy I: Mechanisms of efficacy and receptor promiscuity. // Trends. Pharmacol. Sci. 1995. V. 16. — Pp. 188-192.
Kloboucek A., Behrisch A., Faix J. and Sackmann E. Adhesion-Induced Receptor Segregation and Adhesion Plaque Formation: A Model Membrane Study // Biophys J. 1999. V. 77. — Pp. 2311-2328.
Maggio R., Vogel Z. and Wess J. Coexpression studies with mutant muscarinic/adrenergic receptors provide evidence for intermolecular cross-talk" between G-protein-linked receptors. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA.1993. V.90. — Pp. 3103-3107.
Mednikova Yu. S., Karnup S. V., Zhadin M. N. The two models of dendritic propagation // Proceedings of the 1-st International symposium on electrical activity of the brain: Mathematical models & analitical methods. — Puschino, 1997. — P.79.
Nonner W., Rojas E., Stamfly R. Displasement currents in the node of Ranvier // Pflugers Arch. 1975. V. 354. — Pp. 1-18.
Schindler H., Spillecke F. and Neumann E. Different channel properties of Torpedo acetylcholine receptor monomers and dimers reconstituted in planar membranes // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 1984. V. 81. — Pp. 6222-6226.
Schmidt R. Cell-adhesion molecules in memory formation. — Behavior Brain research. 1995. V. 66. — Pp. 65-72.
Sutor B., Hablitz J.J. Exitatory postsynaptic potentials in rat neocortical neurons in vitro. I. Electrophysiological evidence for two distinct EPSPs. J Neurophysiol. 1989. V. 61. — Pp. 607-620.
Yeramian E., Trautmann A. and Claverie P. Acetylcholine receptors are not functionally independent. "Biophys. J. 1986. V. 50. — Pp. 253-263.
Zoli M., Agnati L. F., Hedlund P., Li X. M., Ferre S. and Fuxe K. Receptor-receptor interactions as an integrative mechanism in nerve cells // Mol. Neurobiol. 1993 V. 7. — Pp. 293-334.
Zoli M., Guidolin D., Fuxe K., Agnati L. F. The receptor mosaic hypothesis of the engram possible relevance of Boolean network modeling // Int. J. Neural Syst. 1996. V. 7. No 4. — Pp. 363-368.
Information Mechanisms of Neuron and Neural memory
Abstract
The scheme of biophysical processes of neuron and neural memory based on conformational changes of soma-dendrite membrane is investigated. It is shown, that the "spontaneous" activity, produced by these changes in neuron membrane is determined in reality by afferent signals, as well as both combinatorial and geometrical specificity of synaptic environment of conformation clusters. The array of such clusters and their responses to chemical and electrical stimulations is analyzed. The relationship is found between biomolecular and neurophysiologic phenomena, including correspondence between three conformation states of receptive clusters and gating charge function, that defines closed, open and inactivated state of ion channels,. The inactivation is connected with engram forming. The selective properties of conformation clusters are described with an information model, which allows deriving information-transforming function of the neuron.Опубликован
2002-02-01
Как цитировать
Радченко,. (2002). Информационные механизмы нейрона и нейронной памяти. Труды СПИИРАН, 1(1), 240-257. https://doi.org/10.15622/sp.1.17
Раздел
Статьи
Авторы, которые публикуются в данном журнале, соглашаются со следующими условиями:
Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и передают журналу право первой публикации вместе с работой, одновременно лицензируя ее на условиях Creative Commons Attribution License, которая позволяет другим распространять данную работу с обязательным указанием авторства данной работы и ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторы сохраняют право заключать отдельные, дополнительные контрактные соглашения на неэксклюзивное распространение версии работы, опубликованной этим журналом (например, разместить ее в университетском хранилище или опубликовать ее в книге), со ссылкой на оригинальную публикацию в этом журнале.
Авторам разрешается размещать их работу в сети Интернет (например, в университетском хранилище или на их персональном веб-сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению, а также к большему количеству ссылок на данную опубликованную работу (Смотри The Effect of Open Access).
