Обрабатывает ли периферическая нервная система информацию так же, как это делают центральные нейроны?

Короткий ответ

• Периферические нервы можно стимулировать, например , электрическими импульсами, и их реакции можно записывать с помощью записывающих электродов.
• Периферические нервы обычно не обрабатывают сигнал. Однако они могут и, вероятно, будут вести себя нелинейно, а это означает, что их передаточные характеристики могут меняться со временем в зависимости от стимула.

Фон
Я подойду к этому вопросу на основе кохлеарного импланта (КИ). Короче говоря, эти устройства имплантируют во внутреннее ухо людям с выраженной тугоухостью (рис. 1). КИ стимулируют слуховой нерв непосредственно электрическими импульсами, тем самым минуя дегенеративные волосковые клетки и восстанавливая функциональный слух.

Реакции слухового нерва, вызванные КИ, регулярно регистрируются для оценки функциональности имплантата. Эти записи называются ответами электрически вызванного сложного потенциала действия (eCAP) (рис. 2). В основном один электрод стимулируется, а реакция нерва измеряется другим электродом. Все потенциалы действия отдельных волокон слухового нерва в основном записываются синхронно, что приводит к сложному потенциалу действия (САР). Это, вероятно, ответит на ваш второй вопрос, а именно, да, нервные реакции могут быть получены электрически и записаны обратно при правильной настройке записи .

Возвращаясь к вашему первому вопросу: нервные реакции нелинейны, поскольку нейронные реакции показывают адаптацию к стимуляции. В общем, нервы через некоторое время устают от возбуждения. Чтобы вернуться к примеру CI; если к внутреннему уху применяются электрические стимулы с высокой скоростью, слуховой нерв демонстрирует медленное адаптивное поведение, в результате чего амплитуда ответа нерва со временем медленно снижается, это вызвано тем, что все больше и больше волокон становятся менее чувствительными. Затем возникает кратковременный эффект, обусловленный рефрактерностьюотдельных волокон. Через несколько миллисекунд после того, как волокно активировалось, оно уже не отвечает на последующие стимулы. Это заставляет некоторые волокна пропускать стимул. Во время высокочастотной последовательности импульсов это приводит к тому, что e eCAP попеременно имеет нормальную и низкую амплитуду (рис. 3). Это вкратце отвечает на ваш первый вопрос, а именно, что нервы точно могут изменить входной сигнал. Процесс адаптации широко распространен на периферии, например, все сенсорные системы проявляют его в той или иной степени. Однако это не настоящая обработка, такая как обработка, происходящая, например, в периферической сетчатке, где сложная схема заметно изменяет вывод сетчатки на зрительный нерв.

^{Рис. 1. Кохлеарный имплант. источник: Speech Buddy}

^{Рис. 2. Принцип записи eCAP. источник: AD Costlow}

^{Рис. 3. Амплитуды eCAP при высокочастотной (900 имп/с) стимуляции КИ. выдержка из рисунка взята из: Hughes et al . (2014)}

<sub>Ссылка
- Hughes et al ., Hear Res (2014); 316 : 44-56</sub>

Обрабатывает ли периферическая нервная система информацию так же, как это делают центральные нейроны?

Нет. Центральные нейроны преимущественно обрабатывают информацию через нейронные сети. Нейронная сеть — это, по сути, группа нейронов, которые имеют синапсы друг на друга, тем самым обеспечивая возбуждающие и тормозные входы. Периферическую нервную систему обычно считают промежуточным звеном между периферией (например, конечностями) и мозгом . Обычно они не образуют синапсов с нейронами за пределами ЦНС и поэтому не могут выполнять обработку, как нейроны в ЦНС.

Нервы, например, в руке человека, просто «ретранслируют» какую-либо информацию, или они также каким-то образом обрабатывают поступающие сигналы? В результате электрический сигнал будет отличаться при измерении в начале и в конце нерва.

На уровне отдельного нейрона «сигнал» обычно рассматривается как потенциал действия . Потенциалы действия обычно описываются как события «все или ничего» и распространяются по нервному волокну. Точная морфология потенциала действия может меняться по мере его распространения, но когда он достигает конца, это вызывает высвобождение нейротрансмиттера, чтобы подать сигнал следующему нейрону.

Альтернативным определением «сигнала» являются постсинаптические потенциалы . Это небольшие изменения напряжения, которым подвергается нервное волокно, в присутствии нейротрансмиттеров. Модель Ходжкина и Хаксли дает математическое описание того, как работает этот процесс.

Можно ли стимулировать нерв в одной точке определенным электрическим сигналом в качестве входа (с различной скоростью и т. д. для кодирования информации) и можно ли измерить выходной сигнал в другой точке?

Нет (ну может быть). Стимуляция нерва в определенной точке затруднена. Ходжкин и Хаксли в своей работе, получившей Нобелевскую премию, вводили ток (возможно, напряжение) в гигантский аксон кальмара и измеряли реакцию. Техника внутриклеточной регистрации включает в себя закрепление участков и не является простой (опять же открытие, достойное Нобелевской премии). Патч, зажимающий ячейку в двух местах, наверное, теоретически возможен, но жалко аспиранта, которому приходится этим заниматься.

С внеклеточными записями трудно понять, «где» вы стимулируете и записываете. Часто бывает трудно даже понять, с какого нейрона вы записываете.