신경 백프로파그먼트

Neural backpropagation
이 기사는 생물학적 과정에 관한 것이다. 컴퓨터 알고리즘에 대한 내용은 백프로파게이션을 참조하십시오.

신경 백프로파게이션(Neural backpropagation)은 뉴런의 작용 전위가 액손 아래로 전압 스파이크를 만든 후(정상 전파) 소마에서 또 다른 임펄스가 생성되어 덴드리트리틱 수목이나 덴드라이트(원래 입력 전류의 상당량이 발생)의 비피질 부분으로 전파되는 현상이다. 작용 전위의 능동적 백프로파그 외에도 수동적 전자음 확산이 있다. 역제안 행동 잠재력의 존재를 증명할 충분한 증거가 있는 반면, 그러한 행동 잠재력의 기능과 그들이 가장 원위적인 덴드라이트를 침해하는 정도는 여전히 매우 논란이 많다.

메커니즘

Visual representation of two mechanisms of neural backpropagation.
신경의 역추적 방법. 왼쪽: 액손에 있는 액션 전위 형태와 소모로 이동한다. Right: 규칙적인 행동 전위는 덴드리트 트리를 통해 역프로포즈하는 메아리를 생성한다.

등급이 매겨진 흥분성 후 전위(EPSP)가 소마를 액손 힐록에서 분극시켜 임계값을 스파이크할 때, 첫째, 액손은 전압 계량 나트륨과 전압 계량 칼륨 채널의 전기적 특성을 통해 전파 임펄스를 경험한다. 연구 결과 Dendrite의 나트륨 채널이 액손의 막에 있는 채널보다 높은 임계값을 보인다는 것을 알 수 있기 때문에 액손에서 먼저 작용 전위가 발생한다(Rapp 등, 1996). 또한 임계값이 더 높은 덴드리트 막의 전압 게이트 나트륨 채널은 시냅스 입력에서 작용 전위를 트리거하는 것을 방지하는 데 도움이 된다. 대신에, 등급화된 전위를 축적하고 축방향 작용 전위를 발사함으로써 소마가 충분히 탈극화될 때에만 이러한 채널이 활성화되어 역방향으로 이동하는 신호를 전파할 것이다(Rapp et al. 1996). 일반적으로 시냅스 활성화의 EPSP는 덴드리트 전압 게이트 칼슘 채널을 활성화할 만큼 충분히 크지 않기 때문에(보통 각각 2밀리암페어 순서에 따라) 백프로포즈는 셀이 활성화되어 작용 전위를 발사할 때에만 일어나는 것으로 생각된다. 덴드라이트의 이러한 나트륨 통로는 특정 종류의 뉴런, 특히 승모세포와 피라미드세포에 풍부하며, 빠르게 비활성화된다. 초기에는 작용 전위가 오직 한 방향으로만 액손 아래로 이동할 수 있다고 생각되었다(그것이 궁극적으로 신경전달물질의 방출을 알리는 곳에 액손 단자가 있다). 그러나, 최근의 연구는 역방향 제안 행동 잠재력의 존재에 대한 증거를 제공했다(Staley 2004).

이 다이어그램은 액손과 소마의 탈극화 이후 덴드리트 전압 스파이크가 어떻게 발생하는지 보여준다.

구체적으로 말하면 신경의 역추적(backpropagment)은 두 가지 방법 중 하나로 발생할 수 있다. 첫째, 축 작용 전위의 시작 동안에 세포체, 즉 소모도 탈극화될 수 있다. 이러한 탈극화는 세포 본체를 통해 전압 정량 나트륨 통로가 있는 덴드리트 나무를 향해 퍼질 수 있다. 이러한 전압 게이트 나트륨 채널의 탈극화는 덴드리트 작용 전위를 확산시킬 수 있다. 그러한 백프로포메이션은 때로는 전방 전파 작용 잠재력의 메아리로 언급된다(Staley 2004). 또한 액손에서 시작된 동작 전위는 반대 방향으로 이동하는 역행 신호를 생성할 수 있다는 것이 밝혀졌다(Hausser 2000). 이 충동은 액손 위로 이동하면서 결국 세포 본체가 탈분극화되어 덴드리트 전압의 칼슘 채널을 촉발시킨다. 첫 번째 프로세스에서 설명한 대로 덴드리트 전압 게이트 칼슘 채널의 트리거는 덴드리트 작용 전위의 전위로 이어진다.

역프로파제트 작용 전위의 강도는 뉴런 유형에 따라 크게 다르다는 점에 유의해야 한다(Hausser 2000). 소뇌 푸르킨제 뉴런과 같은 다른 뉴런 세포 타입은 거의 작용의 역프로파게이션이 거의 없는 반면, 일부 타입의 뉴런 세포들은 덴드리트 나무를 침공하고 이동하기 때문에 작용 전위의 진폭은 거의 감소하지 않는다. (Stuart 1997) 또한, 백프로파게이션 중 진폭 감소의 다양한 정도를 나타내는 다른 뉴런 세포 유형도 있다. 이는 각 뉴런 세포 유형이 덴드리트 작용 전위를 전파하는 데 필요한 전압 게이트 채널을 다양하게 포함하고 있기 때문이라고 생각된다.

규제 및 억제

일반적으로 덴드라이트가 수신하는 시냅스 신호는 소마에 결합되어 다음 시냅스 접점을 향해 액손 아래로 전달되는 작용 전위를 생성한다. 따라서, 행동 잠재력의 백프로포메이션은 소마와 덴드라이트 사이에 통제되지 않는 긍정적인 피드백 루프를 시작하도록 위협을 가한다. 예를 들어, 행동 전위가 트리거될 때, 그것의 덴드리트 반향은 덴드라이트에 들어가 잠재적으로 두 번째 행동 전위를 트리거할 수 있다. 이를 방치하면 자신의 메아리에 의해 촉발된 행동 전위의 끝없는 사이클이 생성될 것이다. 이런 순환을 막기 위해 대부분의 뉴런은 A형 K+ 채널의 밀도가 상대적으로 높다.

A형 K+ 채널은 전압 게이트 이온 채널의 슈퍼 패밀리에 속하며, 세포의 막 전위(Cai 2007)를 유지하는 데 도움이 되는 트랜섬브레인 채널이다. 전형적으로, 그들은 K+ 이온의 억제 전류가 뉴런에서 빠르게 흘러나오도록 함으로써 작용 전위에 따른 세포의 휴식 막으로 되돌리는 데 결정적인 역할을 한다. 덴드라이트의 고밀도에서 이러한 채널의 존재는 시냅스 입력 중에도 작용 전위를 개시할 수 없음을 설명한다. 또한 이러한 채널의 존재는 뉴런이 덴드라이트를 통해 작용 전위의 백프로포즈를 억제하고 조절할 수 있는 메커니즘을 제공한다(베터 2000). 이들 채널의 약리학적 적대자들은 세포가 과도한 발화로부터 보호하는 데 중요한 역제안 작용 잠재력의 빈도를 촉진했다(Waters et al., 2004). 결과는 소마로부터 덴드라이트로의 거리가 증가하는 A형 채널의 밀도가 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. A형 채널의 밀도가 증가하면 덴드라이트로 이동하면서 후방 제안 작용 잠재력이 감쇠된다. 본질적으로, 억제 현상은 A형 채널이 막 전위를 임계 수준 이하로 유지하기 위해 K+ 이온의 유출을 촉진하기 때문에 발생한다(Cai 2007). 그러한 억제는 EPSP를 제한하고 소마와 덴드라이트 사이의 끝없는 양성 피드백 루프에 뉴런이 들어가지 않도록 보호한다.

역사

1950년대 이후 중추신경계의 뉴런들이 액손과 다음 뉴런을 신호하기 위해 양쪽으로 이동하는 작용전위, 즉 전압 스파이크를 발생시킨다는 증거가 존재했고, 그 이전 시냅스 신호 뉴런에 역행 신호를 보내는 덴드라이트를 통해 역행 신호를 보낸다. 이 전류는 덴드라이트를 따라 이동하는 길이에 따라 현저히 감소하므로 시냅스가 시냅스 후 세포체 근처에 있는 뉴런에게 효과가 더 유의할 것으로 예측되며, 주로 덴드라이트의 나트륨-채널 밀도에 따라 크기가 달라진다. 또한 덴드리트 나무의 모양과 더 중요한 것은 뉴런에 대한 신호 전류의 비율에 따라 달라진다. 평균적으로, 백프로그래밍 스파이크는 거의 500마이크로미터의 속도로 이동한 후 전압의 절반 정도를 잃는다.

백프로파기는 신피질, 해마, 실체성 니그라, 척수에서 활발하게 일어나는 반면, 소뇌에서는 비교적 수동적으로 일어난다. 이는 시냅스 가소성이 더 많은 무의식적, 식물학적 기능을 제어하는 소뇌보다 공간적 기억을 제어하는 해마 같은 영역에서 훨씬 더 뚜렷하다는 관찰과 일치한다.

백프로파잉 전류는 또한 덴드라이트의 Ca2+ 농도를 증가시키는 전압 변화를 일으키는데, 이는 특정 시냅스 가소성의 모델과 일치하는 사건이다. 이러한 변화는 향후 신호 통합에도 영향을 미치며, 적어도 사전 시냅스 신호와 사후 시냅스 스파이크 사이의 단기 응답 차이로 이어진다.[1]

기능들

신경학적 백프로포메이션과 관련하여 아직 많은 의문점들이 답되지 않았지만, 신경의 기능에 관한 가설들이 많이 존재한다. 제안된 기능으로는 시냅스 가소성에 대한 관여, 덴드로덴트리트 억제에 대한 관여, 시냅스 반응 활성화, 막 전위 재설정, 시냅스에서의 역행동 및 조건부 축출력이 포함된다. 백프로포메이션은 해마 시냅스에서 LTP(장기적 위력)와 헤비안 가소성을 형성하는데 도움을 주는 것으로 여겨진다. 인공 LTP 유도를 통해 미세전극 자극, 전압 클램프 등을 이용하려면 EPSP를 도출할 때 시냅스 후 셀을 약간 탈극화해야 하기 때문에 백프로파게이션이 시냅스 후 셀의 탈극화 수단으로 작용할 수 있다.

역제안 작용 전위는 시냅스 후 세포가 발사했음을 사전 시냅스 세포에 알리는 신호로 작용하여 장기적 위력을 유도할 수 있다. 게다가, Spike-Time Dependent Pasticity는 시냅스 이전 뉴런과 사후 시냅스 뉴런의 동시 발사가 가소성을 유도하는 좁은 시간 프레임으로 알려져 있다. 신경 백프로파게이션은 이 창에서 전압 민감 Mg2+ 블록의 제거를 보조하여 아피셜 덴드라이트의 NMDA 수용체와 상호작용한다(Waters et al., 2004). 이 과정은 많은 칼슘의 유입을 허용하며, 이것은 연쇄적으로 발생하여 잠재력을 유발한다.

현재 문헌은 또한 역추적 작용 잠재력이 두 뉴런 사이의 단기적, 장기적 효능에 기여하는 역행 신경전달물질과 영양인자의 방출에도 책임이 있다는 것을 시사한다. 역프로포밍 작용 전위는 기본적으로 뉴런 축 발화 패턴의 복사본을 나타내기 때문에 시냅스 이전 뉴런과 사후 시냅스 뉴런 사이의 동기화를 확립하는 데 도움이 된다(Waters et al., 2004).

중요한 것은 BDNF(Brain-Derived Neurothy Factor, BDNF)의 출시를 위해서는 역제안 작용 가능성이 필요하다. BDNF는 시냅스 가소성과 개발을 유도하기 위한 필수 요소다(Kuczewski N, Porcher C, Perand N, 2008). 더욱이 역프로파제 작용 전위는 시냅스 가소성 및 기억 형성의 주요 성분으로 알려진 순환 AMP 반응 요소 결합 단백질(CREB)의 BDNF 의존 인산화를 유도하는 것으로 나타났다(Kuczewski N, Porcher C, Lessmann V, et al. 2008).

알고리즘.

백프로포밍 작용 전위는 아마도 사전 시냅스 연결의 무게에 변화를 일으킬 수 있지만, 오류 신호가 컴퓨터 백프로포메이션 알고리즘에서처럼 복수의 뉴런 층을 통해 전파되는 간단한 메커니즘은 없다. 그러나 단순한 선형 위상은 이러한 생물학적 의미에서의 신호 백프로포즈를 통해 효과적인 연산이 가능하다는 것을 보여주었다.[2]

참조

  1. ^ Stuart, G; Spruston, N; Sakmann, B; Häusser, M (1997). "Action potential initiation and backpropagation in neurons of the mammalian CNS". Trends in Neurosciences. 20 (3): 125–31. doi:10.1016/s0166-2236(96)10075-8. PMID 9061867. S2CID 889625.
  2. ^ Bogacz, Rafal; Malcolm W. Brown; Christophe Giraud-Carrier (2000). Frequency-based Error Back-propagation in a Cortical Network (PDF). Proceedings of the IEEE-INNS-ENNS International Joint Conference on Neural Networks, Como (Italy). Vol. 2. pp. 211–216. CiteSeerX 10.1.1.22.8774. doi:10.1109/IJCNN.2000.857899. ISBN 978-0-7695-0619-7. S2CID 896603. 0-7695-0619-4. Archived from the original (– Scholar search) on June 14, 2007. Retrieved 2007-11-18. {{cite book}}: 외부 링크 위치 format= (도움말)
  1. Buzsáki, G; Kandel, A (1998). "Somadendritic backpropagation of action potentials in cortical pyramidal cells of the awake rat". Journal of Neurophysiology. 79 (3): 1587–91. doi:10.1152/jn.1998.79.3.1587. PMID 9497436.

[1] [2] [3] [4]

  1. ^ Rapp, M; Yarom, Y; Segev, I (October 1996). "Modeling Back Propagating Action Potential in Weakly Excitable Dendrites of Neocortical Pyramidal Cells". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 93 (21): 11985–11990. Bibcode:1996PNAS...9311985R. doi:10.1073/pnas.93.21.11985. PMC 38170. PMID 8876249.
  2. ^ Water, J; Schaefer, A; Sakmann, B (September 2004). "Backpropagating action potentials in neurones: measurement, mechanisms and potential functions". Progress in Biophysics and Molecular Biology. 87 (1): 145–170. doi:10.1016/j.pbiomolbio.2004.06.009. PMID 15471594.
  3. ^ Kuczewski, N; Porcher, C; Ferrand, N; et al. (July 2008). "Backpropagating Action Potentials Trigger Dendritic Release of BDNF during Spontaneous Network Activity". The Journal of Neuroscience. 28 (27): 7013–7023. doi:10.1523/JNEUROSCI.1673-08.2008. PMC 6670985. PMID 18596175.
  4. ^ Kuczewski, N; Porcher, C; Lessmann, V; et al. (October 2008). "Back-propagating action potential". Communicative & Integrative Biology. 1 (2): 153–155. doi:10.4161/cib.1.2.7058. PMC 2686006. PMID 19704877.