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Neurones cérébraux - structure, classification et voies

Les scientifiques poursuivent leurs recherches sur le cerveau humain. Chaque année, il y a de plus en plus de découvertes dans ce domaine. Des réponses à de nouvelles questions apparaissent, qui, parfois, semblent assez inattendues.

Par exemple, si auparavant la réponse à la question de savoir combien de neurones existent dans le cerveau humain était «100 milliards», alors des études récentes en ont fait douter les scientifiques..

Suzanne Herculano-Houzel a contesté cette réponse, considérée comme la seule correcte pendant des décennies. Au cours de ses recherches, le tissu membranaire du cerveau a été dissous et les cellules neuronales ont été peintes de la même couleur. Cela a permis aux chercheurs de compter le plus précisément possible le nombre de neurones dans le cerveau humain. Le chiffre qui est sorti a surpris tout le monde. Il s'est avéré "seulement" 86 milliards de neurones. Pour une personne ordinaire, la différence ne semble pas si significative, mais jugez par vous-même: le cerveau d'un babouin, un primate qui se distingue par une intelligence assez élevée, est constitué de 14 milliards de neurones. À titre de comparaison, le nombre de neurones dans le cerveau d'un chien domestique est de 2 253 000 000. Existe-t-il un cerveau qui surpasse le cerveau humain en termes de nombre de neurones? Oui. C'est le cerveau de l'éléphant de savane, qui compte 257 milliards de neurones.

La structure et la fonction du cortex cérébral

Le cortex cérébral est une structure cérébrale à plusieurs niveaux chez l'homme et chez de nombreux mammifères, constituée de matière grise et située dans l'espace périphérique des hémisphères (la matière grise du cortex les recouvre). La structure contrôle des fonctions et processus importants dans le cerveau et d'autres organes internes.

Les hémisphères (hémisphères) du cerveau dans le crâne occupent environ 4/5 de tout l'espace. Leur composant est la substance blanche, qui comprend de longs axones de myéline des cellules nerveuses. À l'extérieur, les hémisphères sont recouverts du cortex cérébral, qui se compose également de neurones, ainsi que de cellules gliales et de fibres sans myéline.

Il est habituel de diviser la surface des hémisphères en plusieurs zones, dont chacune est responsable de l'exécution de certaines fonctions dans le corps (pour la plupart, il s'agit d'activités et de réactions réflexes et instinctives).

Il existe un tel concept - "croûte ancienne". Il s'agit de l'évolution la plus ancienne de la structure du manteau du télencéphale des hémisphères cérébraux chez tous les mammifères. Ils distinguent également la «nouvelle écorce», qui n'est soulignée que chez les mammifères inférieurs, et chez l'homme elle forme une grande partie du cortex cérébral (il y a aussi une «vieille écorce», qui est plus récente que «l'ancienne», mais plus ancienne que la «nouvelle»).

Fonctions du cortex

Le cortex cérébral humain est responsable du contrôle de nombreuses fonctions utilisées dans divers aspects de la vie du corps humain. Son épaisseur est d'environ 3-4 mm et son volume est assez impressionnant en raison de la présence de canaux se connectant au système nerveux central. Comment la perception, le traitement de l'information, la prise de décision à l'aide de cellules nerveuses avec des processus se produisent à travers le réseau électrique.

À l'intérieur du cortex cérébral, divers signaux électriques sont générés (dont le type dépend de l'état actuel de la personne). L'activité de ces signaux électriques dépend du bien-être de la personne. Techniquement, les signaux électriques de ce type sont décrits à l'aide d'indicateurs de fréquence et d'amplitude. Un grand nombre de connexions et de neurones sont localisés à des endroits responsables des processus les plus complexes. Dans le même temps, le cortex cérébral continue de se développer activement tout au long de la vie d'une personne (au moins jusqu'au moment où son intellect se développe).

Lors du traitement des informations entrant dans le cerveau, des réactions se forment dans le cortex (mental, comportemental, physiologique, etc.).

Les fonctions les plus importantes du cortex cérébral sont:

  • L'interaction des organes et systèmes internes avec l'environnement, ainsi qu'entre eux, le déroulement correct des processus métaboliques à l'intérieur du corps.
  • Réception et traitement de haute qualité des informations reçues de l'extérieur, prise de conscience des informations reçues grâce au flux des processus de réflexion. Une grande sensibilité à toute information reçue est obtenue en raison du grand nombre de cellules nerveuses avec des processus.
  • Prise en charge de l'interconnexion continue entre divers organes, tissus, structures et systèmes du corps.
  • Formation et travail correct de la conscience humaine, flux de pensée créative et intellectuelle.
  • Exercer un contrôle sur l'activité du centre de la parole et les processus associés à diverses situations mentales et émotionnelles.
  • Interaction avec la moelle épinière et d'autres systèmes et organes du corps humain.

Le cortex cérébral dans sa structure a les sections antérieures (frontales) des hémisphères, qui sont actuellement les moins étudiées par la science moderne. Ces zones sont connues pour être pratiquement insensibles aux influences extérieures. Par exemple, si ces services sont influencés par des impulsions électriques externes, ils ne donneront aucune réaction..

Certains scientifiques sont convaincus que les parties avant des hémisphères cérébraux sont responsables de la conscience de soi d'une personne, de ses traits de caractère spécifiques. C'est un fait connu que les personnes dont les parties avant sont affectées à un degré ou à un autre éprouvent certaines difficultés de socialisation, elles ne font pratiquement pas attention à leur apparence, elles ne sont pas intéressées par l'activité professionnelle, elles ne sont pas intéressées par l'opinion des autres.

Du point de vue physiologique, l'importance de chaque section des hémisphères cérébraux est difficile à surestimer. Même ceux qui n'ont pas été complètement étudiés pour le moment.

Les couches du cortex cérébral

Le cortex cérébral est formé de plusieurs couches, dont chacune a une structure unique et est responsable de l'exécution de fonctions spécifiques. Ils interagissent tous les uns avec les autres, effectuant un travail commun. Il est d'usage de distinguer plusieurs couches principales de l'écorce:

  • Moléculaire. Dans cette couche, un grand nombre de formations dendritiques se forment, qui sont entrelacées de manière chaotique. Les neurites sont orientés parallèlement les uns aux autres et forment une couche intermédiaire de fibres. Il y a relativement peu de cellules nerveuses ici. On pense que la fonction principale de cette couche est la perception associative..
  • Externe. De nombreuses cellules nerveuses avec des processus sont concentrées ici. Les neurones varient en forme. Les fonctions exactes de cette couche sont encore inconnues..
  • Pyramidale externe. Il contient de nombreuses cellules nerveuses dont les processus varient en taille. Les neurones sont principalement de forme conique. Dendrite est grande.
  • Intérieur granuleux. Il comprend un petit nombre de petits neurones situés à une certaine distance. Il existe des structures groupées fibreuses entre les cellules nerveuses.
  • Pyramidale interne. Les cellules nerveuses avec des processus qui y pénètrent sont de grande et moyenne taille. Le sommet des dendrites peut être en contact avec la couche moléculaire.
  • Couverture. Comprend des cellules nerveuses en forme de fuseau. Pour les neurones de cette structure, il est caractéristique que la partie inférieure des cellules nerveuses avec des processus atteigne la substance blanche.

Le cortex cérébral comprend diverses couches, qui diffèrent par la forme, l'emplacement et la composante fonctionnelle de leurs éléments. Les couches contiennent des neurones des espèces pyramidales, fusiformes, stellaires et ramifiées. Ensemble, ils créent plus de cinquante champs. Malgré le fait que les champs n'ont pas de limites clairement définies, leur interaction les uns avec les autres permet de réguler un grand nombre de processus associés à la réception et au traitement des impulsions (c'est-à-dire des informations entrantes), créant une réponse à l'influence des stimuli.

La structure du cortex est extrêmement complexe et n'est pas entièrement comprise, de sorte que les scientifiques ne peuvent pas dire exactement comment certains éléments du cerveau fonctionnent..

Le niveau des capacités intellectuelles d'un enfant est lié à la taille du cerveau et à la qualité de la circulation sanguine dans les structures cérébrales. De nombreux enfants qui ont eu des blessures latentes à la naissance dans la colonne vertébrale ont un cortex cérébral nettement plus petit que leurs pairs en bonne santé.

Cortex préfrontal

Une grande section du cortex cérébral, qui se présente sous la forme des sections antérieures des lobes frontaux. Avec son aide, le contrôle, la gestion, la concentration de toutes les actions qu'une personne commet est effectuée. Ce département nous permet de bien gérer notre temps. Le célèbre psychiatre T. Goltieri a décrit ce site comme un outil avec lequel les gens se fixent des objectifs et élaborent des plans. Il était convaincu qu'un cortex préfrontal fonctionnant correctement et bien développé est le facteur le plus important de l'efficacité personnelle..

Les principales fonctions du cortex préfrontal sont également communément appelées:

  • Concentration de l'attention, se concentrant sur l'obtention uniquement des informations dont une personne a besoin, ignorant les pensées et les sentiments de tiers.
  • La possibilité de «redémarrer» l'esprit, en le dirigeant vers le bon canal de réflexion.
  • Persévérance dans le processus d'exécution de certaines tâches, en s'efforçant d'obtenir le résultat attendu, malgré les circonstances émergentes.
  • Analyse de la situation actuelle.
  • Pensée critique, vous permettant de créer un ensemble d'actions pour rechercher des données vérifiées et fiables (vérifier les informations reçues avant de les utiliser).
  • Planification, élaboration de certaines mesures et actions pour atteindre les objectifs fixés.
  • Prédire les événements.

La capacité de ce département à contrôler les émotions humaines est notée séparément. Ici, les processus se produisant dans le système limbique sont perçus et traduits en émotions et sentiments spécifiques (joie, amour, désir, chagrin, haine, etc.).

Domaines

Différentes fonctions sont attribuées à différentes structures du cortex cérébral. Il n'y a toujours pas de consensus sur cette question. La communauté médicale internationale conclut actuellement que le cortex peut être divisé en plusieurs grandes zones, y compris les champs corticaux. Par conséquent, compte tenu des fonctions de ces zones, il est d'usage de distinguer trois départements principaux.

Zone responsable du traitement des impulsions

Les impulsions entrant par les récepteurs des centres tactiles, olfactifs et visuels vont exactement dans cette zone. Presque tous les réflexes associés à la motricité sont fournis par les neurones pyramidaux.

Il existe également un service chargé de recevoir les impulsions et les informations du système musculaire, qui interagit activement avec les différentes couches du cortex. Il reçoit et traite toutes les impulsions qui viennent des muscles.

Si pour une raison quelconque le cortex de la tête est endommagé dans cette zone, la personne aura des problèmes avec le fonctionnement du système sensoriel, des problèmes de motricité et le travail d'autres systèmes associés aux centres sensoriels. Extérieurement, ces violations se manifesteront sous la forme de mouvements involontaires constants, de convulsions (de gravité variable), de paralysie partielle ou complète (dans les cas graves).

Zone sensorielle

Cette zone est responsable du traitement des signaux électriques vers le cerveau. Plusieurs départements sont situés ici à la fois, ce qui garantit la sensibilité du cerveau humain aux impulsions provenant d'autres organes et systèmes..

  • Occipital (traite les impulsions du centre visuel).
  • Temporel (effectue le traitement des informations provenant du centre de parole et d'audition).
  • Hippocampe (analyse les impulsions du centre olfactif).
  • Pariétal (traite les données des papilles gustatives).

Dans le domaine de la perception sensorielle, il existe des départements qui reçoivent et traitent également les signaux tactiles. Plus il y a de connexions neuronales dans chaque département, plus sa capacité sensorielle à recevoir et à traiter des informations sera élevée.

Les sections ci-dessus occupent environ 20-25% de tout le cortex cérébral. Si la zone de perception sensorielle est en quelque sorte endommagée, la personne peut avoir des problèmes d'audition, de vision, d'odorat et de sensation de toucher. Les impulsions reçues n'atteindront pas ou seront traitées de manière incorrecte.

Les violations de la zone sensorielle ne conduiront pas toujours à la perte d'un sentiment. Par exemple, si le centre auditif est endommagé, cela ne conduira pas toujours à une surdité complète. Cependant, une personne aura presque certainement certaines difficultés avec la perception correcte des informations sonores reçues..

Zone associative

La structure du cortex cérébral contient également une zone associative, qui assure le contact entre les signaux des neurones de la zone sensorielle et le centre moteur, et donne également la rétroaction nécessaire à ces centres. La zone associative forme des réflexes comportementaux, participe aux processus de leur mise en œuvre effective. Occupe une partie importante (relativement) du cortex cérébral, couvrant les sections incluses à la fois dans les parties frontale et postérieure des hémisphères cérébraux (occipital, pariétal, temporal).

Le cerveau humain est conçu de telle manière qu'en termes de perception associative, les parties postérieures des hémisphères cérébraux sont particulièrement bien développées (le développement se fait tout au long de la vie). Ils exercent un contrôle sur la parole (compréhension et reproduction).

Si les sections antérieures ou postérieures de la zone associative sont endommagées, cela peut entraîner certains problèmes. Par exemple, en cas de défaite des départements ci-dessus, une personne perdra la capacité d'analyser avec compétence les informations reçues, ne pourra pas faire les prédictions les plus simples pour l'avenir, partir des faits dans les processus de réflexion, utiliser l'expérience acquise précédemment, déposée en mémoire. Il peut également y avoir des problèmes d'orientation dans l'espace, de pensée abstraite..

Le cortex cérébral agit comme un intégrateur supérieur des impulsions, tandis que les émotions sont concentrées dans la zone sous-corticale (hypothalamus et autres parties).

Champs Brodmann

Différentes zones du cortex cérébral sont responsables de certaines fonctions. La différence peut être considérée et déterminée par plusieurs méthodes: neuroimagerie, comparaison de modèles d'activité électrique, étude de la structure cellulaire, etc..

Au début du 20e siècle, K. Brodmann (chercheur allemand sur l'anatomie du cerveau humain) a créé une classification spéciale, divisant le cortex en 51 sections, en basant son travail sur la cytoarchitectonique des cellules nerveuses. Tout au long du XXe siècle, les domaines décrits par Brodman ont été discutés, affinés, renommés, mais ils sont encore utilisés pour décrire le cortex cérébral chez l'homme et les grands mammifères..

De nombreux champs de Brodmann ont été initialement déterminés sur la base de l'organisation des neurones en eux, mais plus tard, leurs limites ont été affinées en fonction de la corrélation avec différentes fonctions du cortex cérébral. Par exemple, les premier, deuxième et troisième champs sont définis comme le cortex somatosensoriel primaire, le quatrième champ est le cortex moteur primaire, le dix-septième champ est le cortex visuel primaire..

Dans le même temps, certains champs de Brodmann (par exemple, la zone 25 du cerveau, ainsi que les champs 12-16, 26, 27, 29-31 et bien d'autres) ne sont pas entièrement compris..

Zone alternative

Une zone bien étudiée du cortex cérébral, qui est aussi communément appelée le centre de la parole. La zone est classiquement divisée en trois grandes sections:

  1. Centre de propulsion de Broca. Forme la capacité de parler d'une personne. Situé dans le gyrus postérieur de la partie antérieure des hémisphères cérébraux. Le centre de Broca et le centre moteur des muscles moteurs de la parole sont des structures différentes. Par exemple, si le centre moteur est endommagé d'une manière ou d'une autre, la personne ne perdra pas la capacité de parler, la composante sémantique de son discours ne souffrira pas, cependant, la parole cessera d'être claire et la voix deviendra faiblement modulée (en d'autres termes, la qualité de la prononciation des sons sera perdue). Si le centre de Broca est endommagé, la personne ne pourra pas parler (tout comme un bébé dans les premiers mois de sa vie). Ces troubles sont généralement appelés aphasie motrice..
  2. Centre sensoriel de Wernicke. Situé dans la région temporelle, il est responsable des fonctions de réception et de traitement de la parole orale. Si le centre de Wernicke est endommagé, une aphasie sensorielle se forme - le patient ne pourra pas comprendre le discours qui lui est adressé (et pas seulement d'une autre personne, mais aussi le sien). Ce que le patient dit sera une collection de sons incohérents. S'il y a une défaite simultanée des centres de Wernicke et de Broca (cela se produit généralement avec un accident vasculaire cérébral), alors dans ces cas, le développement de l'aphasie motrice et sensorielle est observé en même temps.
  3. Centre de perception de la parole écrite. Situé dans la partie visuelle du cortex cérébral (champ numéro 18 selon Brodman). S'il s'avère être endommagé, la personne souffre d'agraphie - la perte de la capacité d'écrire.

Épaisseur

Tous les mammifères qui ont une taille de cerveau relativement grande (au sens général, et non en comparaison avec la taille du corps) ont un cortex cérébral suffisamment épais. Par exemple, chez la souris des champs, son épaisseur est d'environ 0,5 mm et chez l'homme d'environ 2,5 mm. Les scientifiques identifient également une certaine dépendance de l'épaisseur de l'écorce au poids de l'animal..

À l'aide d'examens modernes (notamment par IRM), il est possible de mesurer avec précision l'épaisseur du cortex cérébral chez n'importe quel mammifère. De plus, dans différentes zones de la tête, cela variera considérablement. On note que le cortex est beaucoup plus fin dans les zones sensorielles que dans le moteur (moteur).

Des études montrent que l'épaisseur du cortex cérébral dépend fortement du niveau de développement de l'intelligence de la personne. Plus l'individu est intelligent, plus la croûte est épaisse. En outre, un cortex épais est enregistré chez les personnes qui souffrent constamment et pendant longtemps de douleurs migraineuses..

Sillons, circonvolutions, fissures

Parmi les caractéristiques de la structure et des fonctions du cortex cérébral, il est d'usage de distinguer également les fissures, les sillons et les circonvolutions. Ces éléments forment une grande surface du cerveau chez les mammifères et les humains. Si vous regardez le cerveau humain en coupe, vous pouvez voir que plus des 2/3 de la surface sont cachés dans les rainures. Les crevasses et les rainures sont des dépressions dans l'écorce qui ne diffèrent que par la taille:

  • Fente - une grande rainure divisant le cerveau des mammifères en plusieurs parties, en deux hémisphères (fente médiale longitudinale).
  • Sillon - une dépression peu profonde entourant les circonvolutions.

Dans le même temps, de nombreux scientifiques considèrent qu'une telle division en sillons et crevasses est très arbitraire. Ceci est largement dû au fait que, par exemple, la rainure latérale est souvent appelée «fissure latérale», et la rainure centrale, la «fissure centrale».

L'apport sanguin aux parties du cortex cérébral est effectué à l'aide de deux bassins artériels à la fois, qui forment les artères carotides vertébrales et internes.

La zone la plus sensible des hémisphères cérébraux est le gyrus central postérieur, qui est associé à l'innervation de différentes parties du corps.

Quelle est la particularité du cerveau humain?

15 février 2019

Quelle est la particularité du cerveau humain?

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Reconstruction morphologique d'un neurone du cortex cérébral humain. Ci-dessous sont montrées les oscillations sous-seuil du potentiel transmembranaire d'un neurone dans un modèle biophysique. L'arrière-plan montre les neurones humains 2/3 de la couche corticale, colorés avec des anticorps.

Auteur
  • Anatoly Buchin
  • Rédacteurs
    • Anton Chugunov
    • Andrey Panov
    • La biologie
    • Biomembranes
    • Biophysique
    • Canaux ioniques
    • Science de première main
    • Neurobiologie
    • Propre travail

    Les neurones des humains et des autres mammifères sont très similaires lorsqu'ils sont vus de loin. Cependant, il existe également des différences importantes. Récemment, des scientifiques de l'Institut Allen (dont l'auteur de cet article) ont publié un article dans la revue Neuron, dans lequel ils ont montré que l'excitabilité des neurones dans le cerveau humain et murin est nettement différente. Il s'est avéré que les neurones du cortex cérébral humain ont un nombre beaucoup plus grand de canaux HCN, qui affectent d'une manière particulière l'excitabilité des neurones. Qu'est-ce que cela signifie en termes d'évolution et quel effet cela a-t-il sur le comportement des neurones individuels?

    Pendant longtemps, on a cru que les éléments de base du système nerveux - les neurones - de tous les mammifères étaient similaires les uns aux autres. Cette idée a été exprimée, par exemple, par Santiago Ramón y Cajal [1]. Un neurone reçoit des signaux d'entrée d'autres neurones via des synapses situées sur les dendrites et les soma [2]. En conséquence, la valeur du potentiel transmembranaire change [3], et si elle dépasse le seuil, alors le neurone génère un potentiel d'action, ou pic (du pic anglais). Le pic se propage ensuite le long de l'axone et active d'autres neurones auxquels il est connecté via des synapses. Malgré les propriétés similaires des neurones animaux, les scientifiques reçoivent de plus en plus de preuves que les détails individuels diffèrent considérablement..

    Les cerveaux des humains et des autres mammifères sont très similaires. C'est ce qui nous permet, en étudiant le cerveau d'autres animaux, d'apprendre quelque chose sur le nôtre. En particulier, la structure du cortex cérébral, qui est apparue la plus récente au cours de l'évolution, est très similaire chez tous les mammifères. C'est elle qui est responsable de plusieurs des fonctions mentales supérieures (perception, mémoire, parole) que nous possédons..

    Mais si l'écorce de nous et des souris est disposée de la même manière, pourquoi les souris ne jouent-elles pas du violon et ne font-elles pas des découvertes scientifiques, et les gens en sont capables au moins occasionnellement? En d'autres termes, ce qui nous rend spéciaux par rapport aux autres mammifères?

    Il y a assez longtemps, il est devenu clair qu'il s'agissait d'une question très difficile, à laquelle il existe de nombreuses réponses différentes. L'un d'eux que notre groupe de recherche essaie de donner à l'Institut Allen pour la science du cerveau, étudiant et comparant les neurones humains et murins. Nos travaux ont été récemment publiés dans la revue internationale Neuron [4].

    On sait que le volume du cerveau humain et la zone du cortex ont augmenté très rapidement au cours de l'évolution. Au cours des 75 derniers millions d'années, la superficie du cortex cérébral humain est devenue environ 1000 fois plus grande que l'ancêtre commun des souris et des humains. Par conséquent, les neurones du cerveau humain ont dû s'adapter aux changements évolutifs rapides de ses propriétés..

    Le cortex mammifère a une organisation anatomique étonnamment complexe. Il se compose de six couches de cellules interconnectées. Chaque couche contient différents types de neurones excitateurs et inhibiteurs. Les types de neurones diffèrent les uns des autres par la forme de l'arbre dendritique, par l'excitabilité de la membrane et par des protéines spéciales qui permettent de «voir» ces neurones par des méthodes immunohistochimiques [5]. Souvent, dans le cortex, les neurones de certains types sont connectés les uns aux autres de manière strictement spécifique.Par conséquent, lors de l'analyse de l'activité des neurones, il est important de savoir à quel type ils appartiennent..

    Afin de ne pas comparer les pommes aux oranges, nous avons examiné les propriétés des neurones les plus courants du cortex - les neurones pyramidaux de la couche 2/3. La frontière entre la deuxième et la troisième couche étant anatomiquement difficile à tracer, les neurones de ces couches sont combinés en tant que neurones 2/3 de la couche. Cette couche est la plus épaisse du cortex humain par rapport au cortex de souris. Les neurones de cette couche particulière du cortex ont le plus changé chez l'homme par rapport aux autres mammifères. La largeur des 2/3 de la couche est d'environ un millimètre et elle est environ 2 à 3 fois plus épaisse que les autres couches.

    En étudiant les réponses des neurones individuels dans cette couche du cortex, nous avons constaté que les neurones chez l'homme et la souris réagissent différemment aux stimuli électriques (Fig. 1). Il s'est avéré que les neurones des mêmes 2/3 couches du cortex chez la souris et l'homme ont des fréquences de résonance différentes (Fig. 1 c et d). En d'autres termes, sur présentation d'un stimulus (un courant fourni à un neurone), les neurones humains et murins y répondent différemment. Les neurones humains ont des résonances d'une fréquence plus élevée, et la fréquence de ces résonances dépend de la profondeur des neurones dans le cortex. Plus ces neurones de la couche 2/3 sont profonds chez l'homme, plus leur fréquence est élevée (Fig. 1 c et d). Dans le même temps, la fréquence de résonance de la souris est beaucoup plus faible et augmente plus lentement lors du déplacement plus profond dans la couche 2/3.

    Figure 1. Les neurones chez l'homme et la souris ont des propriétés de résonance différentes. a - Réponse sous-seuil des neurones de souris 2/3 de la couche corticale en réponse à un stimulus sinusoïdal d'amplitude croissante. Ci-dessus montre la réponse des neurones dans la partie supérieure des 2/3 de la couche du cortex, ci-dessous - la réponse des neurones plus profonds de la même couche. Sur la droite se trouve le spectre de la fréquence d'oscillation et de l'impédance électrique du potentiel transmembranaire en réponse à un stimulus sinusoïdal en haut et en bas de la couche 2/3. b - Idem pour les neurones humains. c - Sur la gauche, la fréquence de résonance des neurones de souris dans la couche 2/3 est représentée, en fonction de la profondeur à l'intérieur de cette couche (la fréquence de résonance correspond au pic du spectre sur le panneau a à droite). Le spectre d'écrêtage est illustré à droite après trois décibels. d - la même chose pour les neurones humains. Les résultats relatifs aux neurones de souris sont affichés en noir; aux neurones humains - rouge.

    Afin d'expliquer ces propriétés physiologiques des neurones humains, nous avons analysé les propriétés biophysiques des neurones dans le cortex humain et murin. Le fait est qu'un grand nombre de protéines différentes (principalement des canaux ioniques) sont impliquées dans la génération de pics, ainsi que dans le maintien du potentiel transmembranaire. Les principaux sont les canaux sodium et potassium, mais il existe également un grand nombre d'autres protéines qui altèrent les propriétés du potentiel d'action et des synapses. Ainsi, l'un de nos précédents travaux était consacré à l'étude de la relation entre l'épilepsie et l'homéostasie des ions chlore dans les neurones cérébraux [6].

    L'un de ces canaux, qui affine la signalisation des neurones, sont les canaux HCN, qui passent les ions potassium lors de l'hyperpolarisation membranaire. Ce phénomène est inhabituel en ce que des canaux sensibles au potentiel «ordinaires» s'ouvrent lors de la dépolarisation (le potentiel «monte») et ce type de canaux - au contraire, lors de l'hyperpolarisation (le potentiel «descend») du potentiel transmembranaire. Par conséquent, ce courant a reçu une désignation spéciale - courant h, rappelant son hyper-activation (hyperpolarisation activée au nom du canal - (anglais) activée en raison de l'hyperpolarisation).

    Lorsqu'un neurone reçoit une entrée synaptique négative de neurones inhibiteurs, cela conduit à l'activation du courant h. Mais après la disparition de la stimulation, une dépolarisation à court terme de la membrane neuronale se produit, ce qui conduit souvent à la génération de pics. En d'autres termes, l'action du courant h est similaire à celle d'un ressort, qui est d'abord comprimé (entrée négative), puis relâché brusquement (pas de stimulation), après quoi il se redresse encore plus qu'à l'état initial. Ces canaux ne se trouvent pas seulement dans les neurones du cerveau: ils peuvent également être trouvés dans les cardiomyocytes du cœur [7], où ils aident à synchroniser l'activité des cellules lors des battements cardiaques..

    Nous avons constaté qu'il existe une quantité particulièrement importante de courant h dans la membrane des neurones humains 2/3 de la couche, en analysant les réponses des neurones en réponse à des stimuli électriques (Fig.1). L'analyse de l'ARNm des mêmes neurones a confirmé ces résultats et a montré que dans les cellules 2/3 de la couche de cortex humain, il existe un nombre beaucoup plus grand de fragments codant pour les canaux HCN1 (un sous-type de canaux HCN). Les neurones du cortex de souris possèdent également un grand nombre de canaux HCN1, mais il n'y en a pas autant que dans les neurones humains (Fig. 2). De plus, il s'est avéré qu'il y avait plus de canaux HCN1 dans chaque couche du cortex humain, et pas seulement dans la couche 2/3. Nous avons utilisé l'électrophysiologie et la modélisation mathématique ensemble pour comprendre ce que ces données signifient pour les cellules individuelles..

    Figure 2. Évaluation du niveau d'expression des gènes codant pour les canaux HCN dans les neurones humains (a) et de souris (b). Toutes les données ont été obtenues sur la base de l'analyse de l'ARNm extrait des noyaux de neurones individuels dans différentes couches du cortex (L1–6 et neurones inhibiteurs de toutes les couches d'Inh). Les résultats sont affichés en unités de RPKM (Reads Per Kilobase Million - le nombre de lectures (du gène HCN1) par million de paires de bases).

    Pour construire un modèle de neurones humains, nous avons utilisé la reconstruction d'un neurone individuel 2/3 de la couche corticale. Après cela, la réponse sous-seuil du neurone en réponse à la stimulation a été analysée. Ensuite, le comportement du neurone a été modélisé à l'aide des équations de Hodgkin-Huxley et des équations de câble, en choisissant les paramètres des modèles avec des algorithmes génétiques. La conductance du courant h a été choisie de manière à reproduire la réponse d'un neurone individuel à un stimulus avec une fréquence croissante (Fig. 3 a et b). Cela a permis de créer un modèle mathématique capable de reproduire en détail le comportement d'un neurone individuel..

    Certains détails de la modélisation neuronale sont donnés dans l'article "Du cerveau vivant à l'intelligence artificielle" [8].

    Figure 3. Modèle biophysique d'un neurone humain. a - Stimulation d'un neurone biologique et d'un modèle mathématique par un stimulus de fréquence croissante utilisant un courant électrique. b - Spectre d'oscillations du potentiel transmembranaire en réponse à la stimulation du panneau a. Le noir montre le stimulus, le vert - la réponse d'un neurone biologique 2/3 du neurone cortical, le rouge - la réponse du modèle avec les canaux h activés (Ih (+)), bleu - la réponse du modèle avec les canaux h désactivés (Ih (-)).

    Figure 3. Modèle biophysique d'un neurone humain. c - Reconstruction tridimensionnelle d'un neurone dans le cortex de la couche 2/3. Les cercles rouges indiquent la position des synapses de glutamate [9]. d - Délai entre l'activité de la synapse sur l'arbre dendritique et la réponse sur le soma du neurone, en fonction de la distance de la synapse au soma. Le rouge montre la réponse du modèle en présence de courant h (Ih (+)), bleu - lorsqu'il n'y a pas de courant h (Ih (-)). e - Spectre d'oscillation du potentiel transmembranaire sur le soma dans le modèle avec courant h et sans courant h en réponse à une stimulation utilisant 1000 synapses. Les lignes noires en haut correspondent à différentes plages de fréquences, dont les valeurs moyennes sont significativement différentes, en particulier dans la plage thêta.

    En utilisant ce modèle, nous avons reproduit le comportement d'un neurone lorsqu'il se trouve dans le réseau neuronal du cortex. Pour ce faire, nous avons stimulé un modèle de neurone utilisant 1000 synapses de glutamate [9], dont chacune était activée de manière aléatoire avec une fréquence moyenne d'environ 4 Hz (Fig. 3d). Puisque les décharges de neurones dans un grand réseau sont générées de manière aléatoire ou chaotique [10], elles peuvent être décrites à l'aide de processus aléatoires.

    En réponse à la stimulation synaptique, des fluctuations du potentiel membranaire du neurone se produisent. Pour comprendre les propriétés de ces oscillations, nous avons analysé leur fréquence dans un modèle avec et sans courant h (Fig. 3). Il s'est avéré que le courant h permet au neurone de mieux conduire les oscillations dans la gamme thêta (4–10 Hz) des dendrites au soma. Dans ce cas, les oscillations mêmes du potentiel membranaire sont générées par des synapses situées sur l'arbre dendritique (Fig. 3). Nous avons également constaté que le taux de conduction du signal des dendrites au soma augmente en présence de courant h (Fig. 3d). Cela est dû à la capacité des canaux HCN à rendre la membrane des neurones légèrement plus excitable, ce qui conduit à une conduction plus rapide des changements potentiels des dendrites au soma.

    Le fait est que les neurones humains sont beaucoup plus gros que les neurones de souris. Le volume cérébral et la taille des neurones ont augmenté rapidement au cours de l'évolution des mammifères. D'une part, un gros neurone peut communiquer avec un plus grand nombre d'autres neurones, ce qui permet de conduire des informations plus efficacement dans le réseau; en revanche, la vitesse de traitement de l'information dans les gros neurones est plus faible que dans les petits. Probablement, une grande quantité de courant h était l'une des adaptations évolutives qui ont permis de maintenir le même taux de conduction des potentiels d'action, malgré la plus grande taille des neurones. Ce mécanisme peut être particulièrement important pour les couches plus profondes du cortex (Fig.1), car les neurones de la couche 2/3 doivent recevoir des informations des neurones de la première couche du cortex avec le même délai que les neurones de la couche supérieure 2/3.

    En comparant les neurones des humains et d'autres animaux, nous espérons comprendre progressivement ce qui rend exactement le cerveau humain spécial. Peut-être que la différence entre un cerveau humain et une souris est la même qu'entre une console de jeu et un supercalculateur. Les deux sont construits sur des microprocesseurs, mais le supercalculateur a beaucoup plus de performances en raison des éléments plus rapides et plus nombreux. Dans un futur proche, nous prévoyons d'étudier les propriétés des neurones du cortex humain et murin dans toutes les couches du cortex et dans ses différentes régions. Cela nous aidera à comprendre ce qui rend le cerveau humain spécial par rapport au cerveau d'autres mammifères [11]. D'un point de vue pratique, cela nous permettra de développer des médicaments plus efficaces qui fonctionneront mieux pour les neurones humains en raison des propriétés spéciales de nos canaux ioniques..

    Neurones cérébraux: qu'est-ce que c'est, où sont-ils, fonctionne

    Le nombre de connexions neurales reflète le degré de fonctionnalité du cerveau. Les neurones et les connexions qu'ils forment sont responsables de tous les processus physiologiques du corps. Ils contrôlent l'activité des organes internes, mettent en mouvement, font travailler toutes les parties du corps, coordonnent les processus de pensée et la fonction de mémorisation.

    Théorie neurale de la structure du cerveau

    La théorie neurale suggère que le SNC a une structure cellulaire. Les cellules du tissu nerveux - les neurones, sont des éléments structurels et fonctionnels du système central. Selon l'endroit exact où se trouvent les neurones du système nerveux, ils remplissent différentes fonctions. Le cerveau est un organe hautement organisé.

    Les cellules de commandement contrôlent les cellules exécutives. L'activité nerveuse est le résultat de l'interaction entre les éléments du système. Les neurones qui composent le cerveau sont des éléments du système qui organisent des réactions en réponse à des stimuli, ce qui provoque l'apparition de réflexes standards.

    Caractérisation des neurones

    Éléments structurels et fonctionnels du système central - cellules gliales et neurones. Les premiers prédominent quantitativement, bien qu'ils se voient confier la solution de tâches auxiliaires secondaires. Les neurones sont capables de beaucoup de choses. Ils interagissent les uns avec les autres, forment des connexions, reçoivent, traitent, codent et transmettent des impulsions nerveuses, stockent des informations.

    La neuroglie remplit une fonction de soutien, de démarcation et de protection (immunologique) vis-à-vis des neurones, est responsable de leur nutrition. En cas de lésion d'une partie du tissu nerveux, les cellules gliales remplacent les éléments perdus pour restaurer l'intégrité de la structure cérébrale. Le nombre de neurones dans le système nerveux central est d'environ 65 à 100 milliards. Les cellules cérébrales forment des réseaux neuronaux couvrant toutes les parties du corps humain.

    La transmission de données au sein du réseau est effectuée à l'aide d'impulsions - des décharges électriques générées par les cellules du tissu nerveux. On pense que le nombre de neurones qui se trouvent dans le cerveau humain ne change pas au cours de la vie, si l'on ne tient pas compte de la situation où, pour certaines raisons (processus neurodégénératifs, dommages mécaniques aux structures cérébrales), leur mort se produit et le nombre diminue.

    Les lésions irréversibles d'une partie du tissu nerveux s'accompagnent de troubles neurologiques - convulsions, crises d'épilepsie, troubles de la perception tactile, de l'audition et de la vision. Une personne perd la capacité de ressentir, parler, penser, bouger. Le développement des capacités intellectuelles d'une personne est identifié à une augmentation du nombre de connexions neuronales dans le cerveau avec un nombre constant de neurones.

    Le neurone ressemble à une cellule normale, composée d'un noyau et d'un cytoplasme. Il est équipé de processus - un axone et des dendrites. À l'aide d'un seul axone, les informations sont transmises à d'autres cellules. Les dendrites servent à recevoir des informations d'autres cellules. Dans l'axoplasme (partie du cytoplasme de la cellule nerveuse, située dans l'axone), des substances sont synthétisées qui transmettent des informations - neurotransmetteurs (acétylcholine, catécholamine et autres).

    Les neurotransmetteurs interagissent avec les récepteurs, provoquant des processus d'excitation ou d'inhibition. Les neurones forment des groupes, des ensembles, des colonnes, en tenant compte de leur emplacement dans une certaine partie du cerveau, en fonction du nombre et des fonctions qu'ils remplissent dans le processus de la vie humaine. Par exemple, un ensemble de structures corticales peut être composé de centaines de cellules nerveuses, qui comprennent:

    1. Cellules qui reçoivent des signaux des régions sous-corticales (par exemple, des noyaux du thalamus - sensoriels ou moteurs).
    2. Cellules qui reçoivent des signaux d'autres parties du cortex.
    3. Cellules de réseau local formant des colonnes verticales.
    4. Cellules qui renvoient des signaux au thalamus, à d'autres parties du cortex, éléments du système limbique.

    La synapse est le lieu où le contact bioélectrique entre deux cellules se produit et les informations sont transmises en convertissant une impulsion électrique en un signal chimique, puis en un signal électrique. Des transformations similaires se produisent dans la synapse lors de la transition d'une impulsion nerveuse à travers la membrane présynaptique, la fente synaptique et la membrane postsynaptique..

    La transmission d'impulsions est possible entre des neurones ou neurones individuels et une cellule effectrice (une cellule d'un organe qui exécute une tâche codée dans un signal). La classification des synapses implique une séparation selon les critères:

    • Emplacement (systèmes centraux et périphériques).
    • Type d'action (excitation, inhibition).
    • Type de neurotransmetteur impliqué dans la transmission du signal (cholinergique, adrénergique, sérotoninergique).

    Le nombre de synapses dans un neurone situé dans le cerveau peut atteindre 10 mille. La vitesse de transmission du signal bioélectrique est d'environ 3 à 120 m / s. En plus de la transmission synaptique, il existe une autre façon de transmettre un signal - par le sang. Le mouvement des données codées se produit en raison du fait que les processus nerveux communiquent avec un vaisseau sanguin et sécrètent de la neurohormone dans le sang.

    Les cellules nerveuses responsables de l'activité motrice peuvent établir des milliers de connexions synaptiques. Les synapses qui se forment sur les dendrites sont quantitativement prédominantes. Moins de connexions synaptiques sont formées sur les axones. Dans le processus d'activation de certaines cellules, l'inhibition d'autres se produit. En conséquence, une personne peut se concentrer sur une pensée spécifique ou effectuer un mouvement volontaire..

    Types de neurocytes

    Les neurocytes sont le deuxième nom des neurones. En dehors des structures cérébrales du système nerveux central, ils sont situés dans les ganglions, qui sont des nœuds nerveux (nerfs spinaux, crâniens, appartenant au système autonome). Selon les fonctions exercées, les cellules du tissu nerveux sont sensibles, associatives, effectrices, sécrétoires. Les premiers reçoivent des signaux des zones périphériques du système nerveux.

    Le plus souvent, les signaux sont dirigés vers le cerveau, moins souvent vers les cellules du ganglion autonome. Les cellules sensibles sont de petite taille et ont un grand nombre de dendrites. Ceux associatifs conduisent des signaux dans le réseau neuronal, fournissant une communication entre les types de cellules sensibles et effectrices. Ils se trouvent dans le cerveau (cerveau, moelle épinière) et le système autonome. Dans tous les cas, ce sont les éléments qui ferment les arcs réflexes (groupes de neurones reliés par des synapses).

    Les neurones effecteurs sont des neurones moteurs qui déplacent des parties du corps humain. Les neurones effecteurs transmettent des signaux aux organes exécutifs, y compris les muscles squelettiques, qui déterminent l'activité motrice humaine. Effecteur - grandes cellules, équipées de processus grossiers et moins ramifiés. Les cellules sécrétoires produisent des neurohormones.

    Fonctions des cellules nerveuses

    Les neurones situés dans le cerveau sont une sorte de base de connaissances, théoriquement capable d'accueillir et de stocker la totalité des informations accumulées par l'humanité au cours des millénaires. Le cerveau se souvient absolument de toutes les informations obtenues au cours de la vie concernant l'interaction avec l'environnement extérieur et les processus se produisant dans le corps humain. Dans le même temps, une personne ne peut pas extraire arbitrairement des profondeurs de la mémoire toutes les données stockées dans la substance cérébrale. Fonctions neuronales:

    1. Réception (réception) des impulsions. Les cellules du tissu nerveux reçoivent certains signaux, par exemple, des organes sensoriels (lumière, température, influences olfactives, tactiles) ou d'autres cellules.
    2. Contrôle des processus physiologiques par excitation ou inhibition. En recevant un signal, une section d'une cellule d'un tissu nerveux réagit avec une transition vers un état excité ou inhibé.
    3. Transfert d'excitation. Les signaux en état d'excitation sont transmis d'une partie de la cellule nerveuse à une autre partie de son processus. De cette manière, le signal émis peut couvrir une distance de 1,5 m (par exemple, de la moelle allongée aux parties distales des jambes).
    4. Conduire une impulsion. Les signaux sont transmis d'une cellule nerveuse à une autre ou aux organes effecteurs (exécutifs), dont l'activité est régulée par des réflexes - les réponses du corps aux stimuli. Les effecteurs comprennent les muscles squelettiques et lisses, les glandes endocrines et exocrines.

    Les dommages causés aux cellules nerveuses entraînent le fait qu'elles perdent la capacité de conduire des impulsions électriques et d'interagir les unes avec les autres. La perturbation des processus d'échange d'informations dans les structures neuronales provoque des perturbations dans le travail de tout l'organisme. Une personne perd la capacité d'effectuer des mouvements, de parler et de percevoir la parole, de ressentir, de se souvenir, de penser.

    L'importance des connexions neuronales

    Dans le livre "Du neurone au cerveau", écrit par les neuroscientifiques J. Nicholls, A. Martin, B. Wallas, P. Fuchs, l'importance de l'interaction interneuronale en tant que facteur majeur dans la formation de fonctions mentales supérieures et l'auto-développement de l'individu est scientifiquement prouvée.

    Les connexions neuronales jouent un rôle décisif dans la formation et le développement de l'intelligence, l'émergence d'habitudes stables. Une personne naît avec une énorme quantité de neurones et un petit nombre de connexions entre eux. Au cours de la croissance, de la vie, de l'interaction avec la réalité environnante, de l'accumulation d'expérience, le nombre de connexions augmente, ce qui détermine les propriétés intellectuelles et physiques de l'individu, son comportement et son niveau de santé.

    Une personne est capable de créer de nouvelles connexions neuronales tout au long de sa vie. Les objets du monde environnant agissent sur les sens, provoquant des réponses cérébrales. Autour des neurones, qui fonctionnent constamment, une couche se forme - la gaine de myéline, qui améliore la capacité des fibres nerveuses à conduire les signaux électriques. Les cellules recouvertes d'une couche de myéline sont blanches, non couvertes sont grises, donc la moelle est grise et blanche.

    Les principales réactions aux stimuli externes se forment à l'âge de 7 ans. À cet âge, la production de myéline est réduite. Un enfant de sept ans sait déjà que le feu provoque une brûlure et que des mouvements imprudents entraînent une chute. La principale ressource de connaissances s'est constituée, associée à un ralentissement de la formation de nouvelles connexions neuronales. La production de myéline augmente à nouveau pendant la puberté, lorsque l'image mentale d'une personne change.

    Genius se manifeste souvent dans l'enfance et l'adolescence, ce qui est en corrélation avec une production accrue de myéline et la création de puissants réseaux de neurones ramifiés. Le nombre de connexions synaptiques (interaction entre différents neurones) augmente en raison du processus d'accumulation d'expérience et d'acquisition de nouvelles connaissances. Un neurone peut former de nouveaux processus à la suite d'une stimulation active avec des impulsions électriques.

    La prolifération des connexions synaptiques peut être retracée dans le comportement et les réactions d'une personne aux conditions et circonstances du monde extérieur. Par exemple, un amoureux des chiens évalue la réalité environnante, en tenant compte de l'attachement aux animaux à quatre pattes. Les religieux se rapportent aux objets du monde extérieur, en s'appuyant sur des principes moraux élevés. Cela indique la formation d'une connexion entre deux étrangers, à première vue, des idées et reflète l'émergence de nouveaux contacts synaptiques..

    La création de nouvelles connexions neuronales est possible si une personne est constamment engagée dans le développement personnel - elle étudie les langues étrangères, maîtrise de nouvelles connaissances et compétences (peinture, broderie et tricot, compétences littéraires, sports, jeux intellectuels - échecs et dames), maîtrise un nouveau métier, change d'habitudes.

    Le cerveau a besoin d'un entraînement, ce qui provoque la croissance des dendrites et l'expansion des interactions entre les cellules du tissu nerveux. La perception du monde extérieur, le succès, la santé, l'humeur, la satisfaction de la situation dans la société et la vie en général dépendent de notre conscience.

    Grâce aux connexions neuronales, le travail des organes internes, l'activité motrice et les processus cognitifs sont contrôlés. Les connexions neuronales régulent le comportement humain. Plus il y a de connexions neuronales, plus les capacités intellectuelles et physiques de l'individu sont élevées.