La perception, l'apprentissage et la mémoire sont des processus interconnectés contrôlés par l'activité coordonnée des molécules, les synapses, les cellules et les réseaux de neurones dans le cerveau. Bien que nous sachions beaucoup sur l'activité des neurones et des synapses individuelles, nous savons beaucoup moins sur la façon dont ces composants interagissent. Les techniques de Neuroscience doivent évoluer pour réaliser une nouvelle ère de réseaux multidisciplinaires de recherche l'étude des éléments en interaction.
Le cerveau humain est un organe très complexe façonné par des centaines de millions d'années d'évolution. Il a évolué pour détecter des modèles significatifs, d'apprendre, de mémoriser et de rappeler, et d'adapter. Nos réseaux de neurones peuvent produire et décoder les signaux de communication, extrait et processus fonctionnalités utiles de l'environnement, et de produire des comportements innés vitaux tels que l'alimentation, la fuite et l'accouplement. Étonnamment, cette auto assemble spécialisé structure, de plus en plus d'une cellule à des dizaines de milliards, et chaque cerveau en développement intègre les préjugés cachés en forme par la sélection naturelle, et les moyens avec lesquels se sculptent tout au long de sa durée de vie que l'individu rencontre de nouvelles expériences et sensations.
BASICS BRAIN
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Figue. 1 Communication Neuron le
complexe,
la ramification des dendrites
d'un
neurone de culture peuvent être
visualisés
par l' étiquetage
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Notre cerveau contient des milliards de neurones, qui sont des cellules spécialisées qui traitent et transmettent des informations, et sont disposés dans des circuits cellulaires complexes. Ces cellules communiquent par l’intermédiaire de synapses, qui sont des jonctions qui permettent le transfert d'informations chimiques ou électriques d'un neurone à l'autre (fig. 1).
Les neurones sont le type cellulaire le plus diversifié dans le corps. Ils sont généralement polarisés avec des projections spécialisés pour les recevoir (dendrites) et le relais (axones) information (Fig. 2). Les neurones sensoriels convertissent des stimuli externes tels que la lumière, un son ou de pression, en signaux électriques, tandis que les neurones moteurs utilisent des signaux électriques pour commander les muscles. Un troisième, plus abondant, le type de neurone se situent entre ces entrées et sorties.
Les cellules non-neuronales, appelées cellules gliales, jouent un rôle fondamental dans le développement, le soutien et la plasticité des circuits neuronaux; cependant, les neurones et leurs synapses restent au centre de recherche sur l'apprentissage et la mémoire. Les changements dans l'activité neuronale et la force synaptique sont pensés pour soutenir l'apprentissage et la mémoire. En outre, la perte neuronale et les dysfonctionnements synaptiques ont été impliqués dans divers troubles neurologiques impliquant des déficits d'apprentissage et de mémoire.
PERCEPTION DÉSAGRÉGATION, APPRENTISSAGE ET MÉMOIRE
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Figue. 2 Structure de Neuron.Neurones
(marqué ici avec une
protéine de marqueur
fluorescent-tagged
rose) communiquer les
uns avec les
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En dépit des efforts intenses pour comprendre la perception, l'apprentissage et la mémoire, il y a encore d'énormes lacunes dans nos connaissances. Nous avons encore à identifier les mécanismes neuronaux qui sous-tendent la perception. Des millions de neurones dans les réseaux de structures diverses activent pour que nous percevons même le plus simple des objets, et à démêler les circuits neuronaux qui sont responsables est pas un mince exploit.
La perception et la mémoire sont intimement liés entre eux - la perception d'un objet serait vide de sens sans la capacité de se rappeler et de le relier à des mémoires correspondant. Bien que la perception, la formation de la mémoire et le rappel sont susceptibles de compter sur des mécanismes et des substrats reliés entre eux, nous avons encore à les comprendre pleinement, ou de déchiffrer les effets du sommeil, l'attention et d'autres processus mal compris sur l'apprentissage et la mémoire.
Nous savons que la mémoire est un processus dynamique spatialement et temporellement. Comme les souvenirs sont stockés et consolidés, ils sont décalés d'une partie du cerveau à l’autre dans un processus qui peut prendre des semaines et semble dépendre de l’activité du cerveau au cours de certaines phases du sommeil. Les protéines liées à la mémoire, les synapses, les neurones et les réseaux neuronaux sont également dynamiques. Neurones meurent au large dans le cadre du vieillissement normal, mais pour la plupart, nous ne remarquons aucun changement. Les protéines sont constamment recyclés et remplacés, et de nouvelles protéines sont nécessaires pour l’apprentissage et la mémoire de se produire . Alors, comment peut quelques souvenirs restent stables quand tant des composants sous-jacents sont en constante évolution?
CARTOGRAPHIE LE CERVEAU
L'étude de la perception, l'apprentissage et la mémoire offre des défis et des possibilités de recherche beaucoup. Notre boîte à outils moyens techniques, il est désormais possible de cataloguer et de décrire les constituants du cerveau et de ses circuits neuronaux - une étape essentielle vers la compréhension du cerveau. Tout ce qui est nécessaire est le temps et optimisé des méthodes pour aider à gérer d'énormes ensembles de données.
Le développement de la microscopie électronique série à haute résolution, la microscopie de super-résolution de lumière et des outils génétiques multicolores pour l' étiquetage des neurones , et l'abordabilité accrue d' une immense puissance de calcul, permettent d'imaginer un jour où la matrice de connexion d'un petit -à-moyennes cerveau (peut-être celle d'une mouche ou une souris) sera connue avec un degré raisonnable de précision. Cet effort nécessite la capacité à gérer d'énormes ensembles de données, et une approche multidisciplinaire intégrant la biologie moléculaire, la génétique, l'électrophysiologie, l'imagerie, l'électronique, les nanotechnologies, les mathématiques, l'informatique et de la dynamique non linéaire. Il multipliera un nouveau type de coopération entre les domaines de la science qui ont souvent travaillé séparément.
LA MISE EN RÉSEAU NEURALE
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Figue. 3 Les niveaux de compréhension.
Les images de résonance magnétique peuvent
Actuellement résoudre certaines structures
cérébrales
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Un défi majeur pour les neurosciences modernes est d'expliquer la perception et le comportement en termes d'activité neuronale. Compte tenu de la taille du cerveau, le nombre de neurones et la nature distribuée de l’activité neuronale, il est de plus en plus clair que les méthodes traditionnelles donneront des résultats limités. Patch serrage, par exemple, peut enregistrer l'activité des cellules individuelles à haute résolution, mais ne nous dit rien de la façon dont ces cellules contribuent à de plus grands circuits. Imagerie par résonance magnétique fonctionnelle offre une vue d’ensemble de l’activité cérébrale sur une grande échelle, mais n'a pas la résolution de révéler l'activité des neurones individuels (Fig. 3).
On connaît le fonctionnement des neurones et des synapses individuelles, mais beaucoup moins sur leur action coordonnée dans les ensembles de millions. Le cerveau tire sa magie d’une activité coordonnée sur la grande échelle et un degré élevé de spécialisation sur la petite échelle.
>> Une grande partie est connu du fonctionnement des neurones et des synapses individuelles, mais beaucoup moins sur leur action coordonnée dans les ensembles de millions.
Les réseaux, les neurones et les constituants moléculaires doivent être étudiés en combinaison plutôt que dans l'isolement, et les techniques expérimentales utilisées traditionnellement pour étudier les éléments individuels doivent évoluer dans ce sens. Une nouvelle approche implique des commutateurs génétiques activés par la lumière qui contrôlent l'activité des neurones, des populations discrètes spécifiques. Cette technique - 'optogénétique' - porte déjà ses fruits et on pense que ces études permettront de révéler la fonction des cellules dans le cadre des circuits neuronaux.
L'activité neuronale doit être échantillonnée à une échelle intermédiaire: celle des réseaux d'éléments en interaction. Plutôt que d'étudier une poignée de cellules dans une poignée d'animaux, des études devraient se concentrer sur le niveau de la population, avec la densité d'échantillonnage élevée et les animaux mobiles. Ce sera techniquement difficile, et se fondera sur les développements majeurs dans les domaines de l'optique, la microélectronique, la nanoélectronique et de l'informatique.
Les récompenses seront grandes. Décrypter les bases neurales de la perception, l'apprentissage et de la mémoire est un élément fondamental de la compréhension du fonctionnement du cerveau dans la santé, le vieillissement et la maladie. Les taquineries à part les mécanismes contributifs pourrait nous offrir la possibilité d'influencer et d'améliorer ces plus humain des compétences.
Le comportement dynamique et coordonnée des neurones dans le cerveau peut être détecté dans les oscillations du cerveau qui se produisent à une variété de fréquences (par exemple, 2 à 200 Hz). Une étude récente menée par des chercheurs de l'Institut Max Planck pour la recherche sur le cerveau a révélé que lorsque les neurones liés à la mémoire dans le feu du cerveau de manière synchrone avec les ondes cérébrales à la fréquence thêta (2-8 Hz) pendant l’apprentissage, les souvenirs qui en résultent sont plus forts que si cette synchronisation ne se produit pas