Электромагнитное взаимодействие нейронов

Здравствуйте, уважаемое сообщество Geektimes! Идея взаимодействия нейронов не только через физические связи (синапсы, эфапсы), но и посредством электрических полей, давно не нова, но какой характер и значение этих взаимодействий?

Прямых исследований на указанную тему немного, это связанно с тем, что требуется трудоемкая работа по регистрации изменений в нейронах под действием внешних электрических полей. К примеру, эксперимент, проведенный нейрофизиологами из Калифорнийского Технологического института (C.A. Anastassiou, R. Perin, H. Markram, C. Koch (2011) Ephaptic communication in cortical neurons. — Nature Neuroscience [Abstract], [PDF]), показал, что внеклеточные электрические поля, генерируемые нейронами, изменяют характеристики потенциалов действия других нейронов.

Не смотря на то, что нейрон имеет множество контактов с клетками соседями, радиус его действия ограничен в сравнении с масштабами нервной системы в целом. Становится не ясным, как происходит коммутация нейронов при формировании простых условных рефлексов, поскольку расстояния между различными представительствами тех или иных рефлексов можно насчитывать до сотни миллиметров.

И.П. Павлов объясняет механизм образования условных рефлексов следующим образом. Если в центральной нервной системе возникают два очага возбуждения, то более сильный из них «притягивает» к себе возбуждение из менее сильного. Если такого рода взаимодействие сильного и слабого очагов возбуждения сочетать повторно несколько раз, может образоваться условный рефлекс.

Передача возбуждения в нервной системе всегда сопровождается изменением электромагнитных полей. Естественно предположить, что природа «Павловского притяжения» имеет электромагнитный характер. Конечно, существуют гипотезы о том, что нейроны могут взаимодействовать на некотором квантовом уровне, но природа и характер этих взаимодействий не понятна, отработку квантовых моделей следует отложить до появления квантовых компьютеров.

Если следовать Павловским идеям, то каждый активированный нейрон должен определять, в каком направлении существует наиболее сильный очаг возбуждения и, в последствии, передать в нужном направлении возбуждение. Нейрон может запомнить данное направление и использовать его в дальнейшем. Здесь нейрон представлен в виде некоторого коммутатора. Сеть таких коммутаторов формирует рефлекторную дугу, подобно электрической цепи которая может формироваться, укрепляться, перестраиваться и разрушаться. Конечно, функции сумматора сохраняются за нейроном, что расширяет возможности такой самоорганизованной системы.

Для проверки гипотезы мной разработана модель, в которой нейрон подобно клеточному автомату, проводит свои внутренние вычисления независимо от системы, только на основе собранной информации. Во-первых, при получении возбуждения нейроном его переменная q (заряд) начинает сменятся с частотой 0,01с в зависимости от заданного массива чисел характеризующих закон изменения заряда на поверхности его мембраны. Всего шестнадцать значений, после чего нейрон на некоторый короткий промежуток времени не реагирует на раздражение.
Для демонстрации представим четыре варианта закона изменения заряда, главным образом отличающиеся значением отрицательного следового потенциала. Считается, что следовые потенциалы являются лишь следствием реполяризации нейрона. В своих работах над моделями я пришел к выводу, что следовый потенциал имеет важное значения для коммуникации нейронов.



Во-вторых, через 0,05с после активации нейрон определяет направление передачи возбуждения и передает его. Для определения вектора направления логичней всего применить закон Кулона, но микромир клеток не так прост и никто не исключает наличие органоида у нейрона способного усиливать сигналы других активных нейронов. Поэтому в демонстрации представим три правила определения вектора направления:


Первое правило — это воплощение закона Кулона, вектор направления определятся, как сумма векторов взаимодействия с каждым другим активным нейроном. Вектора взаимодействия — это произведение заряда нейрона на единичный вектор, поделенное на квадрат расстояния между нейронами. Второе правило аналогичное, но с учетом обратной пропорциональности расстояния. И третий закон без учёта расстояния между нейронами.
Далее, осуществляется передача сигнала всем нейронам в направлении определенного вектора направления с учётом радиуса действия нейрона, его фокуса, который равен 90 градусов.


Если в направлении вектора не окажется нейронов, то создастся новый нейрон и ему будет передаваться возбуждение. Динамическое создание нейронов имеет здесь техническое значение, это делает работу модели более наглядной, упрощает просчет её работы.



Из сделанных наблюдений можно сделать вывод, что закон Кулона крайне неэффективен, влияние соседних нейронов оказывается значительно сильным, чем влияние другого активного участка возбуждения более обширного. Следовательно, «Павловское притяжение» нельзя объяснить простым взаимодействием электрически заряженных частиц.
При применении правила с обратно пропорциональной зависимостью и в сочетании с небольшим отрицательным следовым потенциалом, уже можно наблюдать образование «перемычки» между двумя очагами возбуждения. Такими «перемычками» академик И.П. Павлов объяснял образование условных рефлексов.
Наиболее устойчивое образование связей наблюдается при использовании правила без учёта расстояния, хотя в природе реализация такого правила затруднительна.

Данная модель демонстрирует возможный принцип образования рефлексов, с этой целью была намеренно упрощена. Прежде чем объяснить более сложные рефлекторные или когнитивные функции, необходимо понять природу поведения нейрона и нервной системы.
У меня существует гипотеза о том, что главную роль в функциональной работе нейрона, как коммутатора, играют микротрубочки. Предположительно, что они «растут» в направлении других активных клеток, под влиянием электромагнитных полей, создаваемых их активностью. Таким образом, формируются транспортные пути для созданных у ядра клетки, белков-медиаторов, которые затем распределяются между синапсами. Причем распределение бывает неравномерным, зачастую некоторые синапсы остаются без медиатора.

Буду признателен за помощь в сборе информации подтверждающей идеи, изложенных в указанной статье и конструктивной критике.

Источник: geektimes.ru/post/267568/