1 / 26

Jauni priekšstati par informācijas kodēšanas mehānismiem nervu sistēmā.

Jauni priekšstati par informācijas kodēšanas mehānismiem nervu sistēmā. Ingvars Birznieks Integratīvās Medicīniskās Bioloģijas Institūts, Umeå Universitāte, Zviedrija Cilvēka un Dzīvnieku Fizioloģijas katedra , Bioloģijas fakultāte, LU, Latvija.

ancelin
Download Presentation

Jauni priekšstati par informācijas kodēšanas mehānismiem nervu sistēmā.

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Jauni priekšstati par informācijas kodēšanas mehānismiem nervu sistēmā. Ingvars Birznieks Integratīvās Medicīniskās Bioloģijas Institūts, Umeå Universitāte, Zviedrija Cilvēka un Dzīvnieku Fizioloģijas katedra , Bioloģijas fakultāte, LU, Latvija

  2. Prasmīgu rokas pirkstu manipulāciju taktīlie sensorie vadības mehānismi • Šī darba mērķis ir sniegt ieguldījumu neirālo senso-motorisko vadības mehānismu izpratnē, kas cilvēkam piešķir nepārspējamas prasmes manipulēt un darboties ar nelieliem objektiem un darbarīkiem • Konkrēti mūsu pētījumu mērķis bija noskaidrot, kā kontaktspēku virziens un objekta forma (virsmas izliekums) ir iekodēts taktīlo aferentu populācijas neironālajā aktivitātē apstākļos, kas raksturīgi ikdienā veicamām manipulācijām

  3. Kādēļ kontaktspēku virziens ? • Kontakspēku virziens ir viens no kritiskiem parametriem, kas jākontrolē manipulāciju laikā. Informācija par kontakspēku virzienu tiek lietota • lai saglabātu stabilu kontaktu ar objektu un izvairītos no objekta izslīdēšanas no rokām (Westling & Johansson 1984) • lai kontrolētu precīzas darbības ar maziem objektiem • lai saglabātu manipulējamo objektu orientāciju telpā (Flanagan et al. 1999) • lai adekvāti reaģētu uz neparedzamu ārējo spēku iedarbībām dažādos virzienos (Häger-Ross et al. 1996)

  4. Kādēļ kontaktspēku virziens ? • Papildus manipulācijām ar objektiem, taktīlo receptoru sniegto informāciju par kontaktspēku virzienu CNS var efektīgi izmantot, lai uzturētu ķermeņa līdzsvaru un kalibrētu proprioceptīvo sistēmu • pirkstgalu kontaktspēku virziens, pieskaroties objektam, sniedz telpisku virzienu karti, kas raksturo pirkstu un rokas konfigurāciju relatīvi pret ķermeni un objektu (DiZio et al. 1999). • taktīlā informācija no pirkstgalu receptoriem var būtiski palīdzēt stabilizēt ķermeņa līdzsvaru tikpat efektīgi, kā redze un vestibulārais aparāts (Lackner et al. 1999, tāpat skatt. Norrsell et al. 2001).

  5. Kādēļ objekta forma (virsmas izliekums)? • Prasmīgu manipulāciju nodrošināšanai virsmas izliekuma forma kustību vadības sistēmai diktē sekojošus kontroles ierobežojumus: • optimāla satvēriena kontakta punktu izvēle • atbilstoša manipulatīvo spēku lieluma regulācija • Taktīlo aferentu sniegtā informāciju par satvertā objekta virsmas formu ir kritiska situācijās, kad objekts ir ārpus redzes lauka

  6. Metodes

  7. Taktīlo aferentu jutība pret kontaktspēka virzienu Kontaktspēka virziens ietekmēja impulsācijas frekvenci 93% lēni adaptējošos 1 tipa jeb SA-I aferentu, 80%lēni adaptējošos 2 tipa jeb SA-II aferentuun83%ātri adaptējošos 1. tipa jeb FA-I aferentu. Katrs eferents uzrādīja maksimālo jutību un tātad maksimālo impulsācijas frekvenci kādā konkrētā katram aferantam raksturīgā virzienā.

  8. Taktīlo aferentu jutība pret virsmas izliekumu Virsmas izliekum ietekmēja impulsācijas frekvenci 64% SAI, 56% SAII un 48% FAI aferentu. Dažiem aferentiem impulsācijas frekvence pieauga, kamēr citiem tā samazinājās.

  9. Cik ilgs laiks paiet, lai CNS iegūtu precīzu informāciju par mehāniskiem notikumiem pirkstgalos? • Parasti taktīlā informācija satvēriena spēku parametrus konkrētai situācijai piemēro aptuveni 100ms laikā pēc kontakta ar objektu • Neparedzētu ārējo spēku iedarbība vai mehāniski notikumi satvēriena punktos izsauc atbildes reakciju pat pēc īsāka laika intervāla (~ 60-65 ms) (Johansson & Westling, 1987) • Hoger-Ross et al (1996) parādīja, ka īsākais reakcijas laiks, kas parametriski ir pieregulēts kontaktspēka virzienam ir aptuveni 60 ms garš

  10. Laiks, kas nepieciešams neironāliem procesiem • Signāla pārvades laiks nervu šķiedrās un muskuļu kontrakcijas gausums paņem aptuveni 40ms ilgu laiku • Macefield et al (1996) parādīja, ka raksturīgā aferentu impulsācijas momentānā frekvence manipulāciju laikā ir aptuveni 50 Hz un pat zemāka • No pēdējā izriet, ka, lai tipisks neirons ģenerētu vismaz 2 impulsus un tātad informācijas pārvade, izmantojot frekvences kodu būtu iespējama, nepieciešamas vismaz 20ms. Taču piemēram, ja neirona impulsācijas frekvence ir 20imp/s, tad būtu nepieciešamas veselas 50ms, lai šis neirons varētu pārraidīt kaut jebkādu informāciju

  11. Nepietiek laika? • Analizējot nervu impulsus, kas reģistrēti no diviem simtiem dažādu neironu, mēs ieguvām apstiprinājumu tam, ka smadzeņu kustību centri jau izmanto un operē ar sensoro informāciju, kamēr paši jutīgākie informāciju piegādājošie sensorie neironi ir paspējuši ģenerēt tikai vienu vienīgu nervu impulsu. • Taču pēc definīcijas, lai frekvences kods varētu darboties, katram neironam ir jāģenerē vairāki (vismaz divi) nervu impulsi. • Secinājums: frekvences kods navar nodrošināt informācijas pārvades un analīzes ātrumu, kuru novēro roku manipulāciju laikā

  12. Vai nepieciešams jauns kodēšanas mehānisms nervu sistēmā? Lords Edgars Adrians bija pirmais kurš ievēroja sakarību, ka impulsācijas frekvence un stimula intensitāte korelē savā starpā. Viņš tiek uzskatīts par neironālā ciparu koda atklājēju. 1932. gadā viņam tika piešķirta Nobeļa prēmija. Kopš profesora Adriana atklājumiem tas ir plaši pieņemts, ka CNS operē ar informāciju, izmantojot frekvences kodu. Mūsu eksperimentālie dati norāda, ka frekvences kods nevar nodrošināt informācijas pārvades un analīzes ātrumu, kuru novēro roku manipulāciju laikā.

  13. Virsmas izliekuma formas ietekme uz pirmā impulsa latento periodu

  14. Virsmas izliekuma formas ietekme uz pirmā impulsa latento periodu • Salīdzinot aferentu skaitu, kuri uzrāda jutību pret virsmas izliekumu, ja statistiskos testos lieto impulsācijas frekvenci un pirmā impulsa latentos periodus, mēs secinājām, ka pirmā impulsa latentie periodi ir informatīvāks parametrs nekā tradicionāli lietotais ievērojami lēnākais frekvences kods.

  15. Kontaktspēka virziena ietekme uz pirmā impulsa latento periodu

  16. Kontaktspēka virziena ietekme uz pirmā impulsa latento periodu • Salīdzinot aferentu skaitu, kuri uzrāda jutību pret kontaktspēka virzienu, ja statistiskos testos lieto impulsācijas frekvenci un pirmā impulsa latentos periodus, tika iegūti diezgan līdzīgi rezultāti.

  17. Neironālie dekodēšanas mehānismi • Neironālie mehānimi, kas ar apbrīnojamu precizitāti spēj analizēt ar sensorās informācijas temporālos parametrus, ir labi pazīstami dzirdes un elektroreceptīvā sistēmā (Carr 1993; Lestienne 2001). • Impulsācijas temorālie parametri tiek saglabāti ar augstu precizitāti gan primāro taktīlo aferentu vadītājceļos gan sinaptiskajos kontaktos releja kodolos, piemēram, nucleus cuneatus (Vickery et al. 1994; Gynther et al. 1995; Zachariah et al. 2001). • Ir zināms, ka precīziem nervu impulsu temporāliem parametriem ir būtiska nozīme somatosensorās informācijas talamokortikālajā apstrādē (Ahissar et al. 2000; Petersen et al. 2002; Usrey 2002). • Eksperimentālo datu matemātiskā analīze norāda, ka nervu impulsu temporālie parametri var saturēt vairāk bioloģiski svarīgas informācijas nekā neironu impulsācijas frekvence (Meister and Berry MJ 1999; Reich et al. 2001; Thorpe et al. 2001; Panzeri et al. 2001). • Relatīvi vienkārši naironu kompleksi var dekodēt šo informāciju (Thorpe et al. 2001).

  18. (Gautrais & Thorpe, 1998) (Thorpe et al, 2001) Neironālie dekodēšanas mehānismi: neironu populācijas rekrutēšanās secības šablons

  19. Kontaktspēka virzienaiekodēšana aferentu rekrutēšanās secības šablonā: datormodelis un datorsimulācija

  20. Virsmas izliekuma formas iekodēšana aferentu rekrutēšanās secības šablonā: datormodelis un datorsimulācija

  21. Secinājumi • Mēs pierādījām, ka pirmā nervu impulsa latentais periods taktīlajos aferentos ir jutīgs parametrs, kas atspoguļo tādas stimula īpašības kā virsmas izliekuma forma un kontaktspēka virziens. • Mūsu atklājumi norāda, ka bez frekvences koda informāciju var efektīgi kodēt neironu populācijas rekrutēšanās secības šablons. • Rekrutēšanās secības šablons ir domājams ātrākais iespējamais informācijas avots, kas nodrošina pārsteidzoši ātro taktīlās informācijas apstrādi prasmīgu manipulāciju laikā. • Mūsudati sniedz eksperimentālu pierādījumu jauna informācijas kodēšanas mehānisma izmantošanai nervu sistēmā. • Mēs paredzam, ka neironu populācijas rekrutēšanās secības šablons var sniegt informāciju arī par citiem manipulāciju laikā kontrolējamiem parametriem.

  22. Nozīme • Šis ir ātrākais zināmais un, domājams, arī ātrākais iespējamais neironālās informācijas pārraides un analīzes mehānisms. Mēs esam pirmie pasaulē, kam to ir izdevies nodemonstrēt, analizējot impulsācijas aktivitāti reālos neironos. • Šis ir principiāls atklājums neirofizioloģijā, kam ir gan fundamentāla, gan arī praktiska nozīme. Vispirms šis atklājums mums ļaus principiāli savādāk skatīties uz neironāliem analīzes procesiem, cilvēka kustību vadības mehānismiem un visu smadzeņu darbību kā tādu. • No praktiskā viedokļa pētījums ir devis būtisku ieguldījumu robotu un manipulatoru tehnoloģiju attīstībā. Tastika iekļauts Eiropas 6. Ietvara programmas “Nākotnes Informācijas tehnoloģijas” projektā NEUROBOTICS, kurā ar dažādiem robottehnikas pilnveidošanas uzdevumiem apvienojās 13 vadošās Eiropas neirofizioloģijas un inženiertehniskās laboratorijas. • Mūsu atklājumam paredzama rezonanse arī praktiskajā medicīnā un rehabilitācijā. Saprotot, kā informācija, ko sniedz taustes receptori, tiek kodēta, analizēta un izmantota kustību vadībai un kontrolei, var izstrādāt jaunas daudz efektīgākas rehabilitācijas metodes un programmas. Tāpat tas liks pārskatīt metodes, ar kādām tiek novērtēta atbilstošo pacientu jutības pavājināšanās pakāpe un kādi ir ar to saistītie rokas kustību funkcionālie traucējumi.

  23. Nākotnes vīzijas

  24. Nākotnes vīzijas

  25. Līdzautori: Roland S Johansson Antony W Goodwin Per Jenmalm Inženieri: Göran Westling Lars Bäckström Anders Bäckström Mickael Andersson

  26. Publikācijas Birznieks I., Jenmalm P., Goodwin A. and Johansson R. (2001) Encoding of Direction of Fingertip Forces by Human Tactile Afferents. J Neurosci 21, 8222-8237. Jenmalm P., Birznieks I., Goodwin A.W. and Johansson R.S. (2003) Influence of object shape on responses of human tactile afferents under conditions characteristic of manipulation. Eur J Neurosci 18, 164-176. Birznieks I. (2003) Umeå University Medical Dissertations: Tactile sensory control of dexterous manipulation in humans. Umeå University, Umeå. Johansson R.S. and Birznieks I. (2004) First spikes in ensembles of human tactile afferents code complex spatial fingertip events. Nature Neurosci 7, 170-177.

More Related