¿Cada tipo de neurona sensorial tiene un patrón de secuencia de picos característico?

Fondo

Se sabe que toda la información sensorial se ingresa al cerebro como secuencias de picos neurales. Ahora, para distinguir entre las secuencias de puntas generadas por las células cónicas rojas/azules/verdes de la retina entre sí, y estas de las células ciliadas cocleares (oído interno), y así sucesivamente, se debe usar algún tipo de esquema de codificación.

Para aclarar aún más, en el caso de las células cónicas de la retina, la tasa de cuantos de luz incidente en un rango de energía determinado es la información principal que se codifica. Pero, si los 3 tipos de células cónicas generaran respuestas idénticas para una tasa de incidencia dada, como lo hacen los píxeles CCD en nuestras cámaras digitales, entonces no habría forma de que las neuronas aguas arriba dijeran qué tipo de célula cónica es una secuencia de picos. vino de. En cambio, mi suposición es que cada tipo de celda cónica codifica la tasa de incidencia en su propia forma característica, similar a cómo diferentes tipos de instrumentos musicales suenan de manera diferente, incluso cuando tocan el mismo tono con la misma intensidad, a través del timbre .

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Una ilustración simplificada de Timbre

Pregunta

¿Hay evidencia de que cada tipo de neurona sensorial tenga un patrón de secuencia de picos característico?

Por qué el tipo de mensaje debe estar codificado en el propio mensaje

Durante el desarrollo del sistema visual , la retina, el LGN y la corteza visual se desarrollan inicialmente por separado y, algún tiempo después, los axones de los ganglios retinianos se convierten en LGN y las radiaciones ópticas del LGN crecen y alcanzan la corteza. Por lo que sabemos, no está garantizado que un ganglio específico proyecte su axón a una neurona específica en el LGN. Todo lo que está garantizado por el proceso de crecimiento es que los ganglios muy juntos se proyectarán a las neuronas LGN que también están muy juntas.

Dado este proceso de desarrollo, cuando una región superior, digamos en V1, recibe un flujo de picos de una neurona en algún lugar inferior, surge la pregunta: ¿cómo sabe que este flujo de picos significa rojo, azul o verde? Una idea simple que se me ocurrió a partir de la teoría de la información es que el tipo de mensaje podría codificarse de alguna manera en el mensaje mismo.

Motivación

La evidencia de patrones de picos característicos para cada tipo de neurona sensorial nos llevaría un paso más hacia la comprensión de los qualia , el difícil problema de la conciencia . Mi especulación es que los qualia son los análogos neuronales del timbre en los instrumentos musicales.

Erwin Schrödinger pensó que nunca llegaríamos allí. Dijo : "La sensación de color no puede ser explicada por la imagen objetiva de la luz del físico [como] ondas [o como cuantos]. ¿Podría el fisiólogo explicarla, si tuviera un conocimiento más completo del que tiene de los procesos en la retina? y los procesos nerviosos establecidos por ellos en los haces de nervios ópticos y en el cerebro? No lo creo".

Supongo que tiene razón en el sentido de que nunca podremos envolver completamente nuestras mentes en torno a la naturaleza misteriosa e inefable de los qualia.

Sin embargo, la evidencia de patrones de picos característicos ofrecería soluciones a los experimentos mentales relacionados con los qualia, como ¿Hay algo sobre Mary? , que los filósofos parecen estar tirándose de los pelos .

if all 3 types of cone cells generated identical responses for a given rate-of-incidence ... then there would be no way for upstream neurons to tell what type of cone cell a spike sequence came from.La declaración anterior es falsa: las neuronas no solo descargan toda su información en un canal, cada una tiene un axón que se ejecuta en otras regiones, por lo tanto, las neuronas aguas arriba tienen información sobre qué cono (y, por lo tanto, qué tipo de cono) está enviando simplemente por el patrón de cableado.
Se sabe bastante acerca de la visión, cualquier libro de texto de introducción debería decirle bastante (o incluso Visual System ). Para ser honesto, no estoy muy seguro de a qué te refieres con esta pregunta.
Estoy de acuerdo con @ChuckSherrington. Creo que su motivación/antecedentes es una pista falsa que deja mucho espacio para cuestionar su pregunta. Lo eliminaría e intentaría centrarme en la parte técnica de su consulta. Deje las posibles conexiones con qualia para más adelante. Además, para evitar que el hilo de comentarios se hinche como lo ha hecho en preguntas anteriores, siéntase libre de unirse a nosotros en el chat .
Consulte también el artículo Retinal Ganglion en Wiki, que le informará sobre algunos de los procesos intermedios que se llevan a cabo en la retina antes de que la información se envíe al tálamo. En general, este es un código de tasa, pero es más específico si el estímulo está centrado o descentrado en el campo o el grado en que es rojo o verde (el azul se vuelve un poco más complicado).
@ArtemKaznatcheev Con respecto a obtener metainformación simplemente del patrón de cableado, este es un buen punto y un error fácil de cometer, que algunos de mis amigos también plantearon. La respuesta es algo sutil y merece una publicación de blog completa. Pondré un enlace a él tan pronto como lo haya terminado.
@ChuckSherrington He leído las partes relevantes del libro de David Hubel, Eye, Brain & Vision . Contiene una tonelada de información deliciosa. Hubel fue uno de los primeros en registrar neuronas individuales en V1. Sin embargo, parece que él y otros neurocientíficos han pasado por alto este aspecto. Como dije anteriormente, la evidencia de patrones de picos característicos resolvería muchas preguntas con respecto a los qualia. Daré los detalles en una publicación de blog.
@ArtemKaznatcheev Esta pregunta surgió de varias meditaciones profundas sobre los qualia durante los últimos días y está en el centro de mi explicación tentativa de los qualia. Si no te gusta el fondo, simplemente ignóralo. Estoy seguro de que mucha gente lo encontrará muy interesante y relevante.
@bfrs Creo que lo que más me cuesta personalmente es que usted está mirando alrededor de 40 años de otras investigaciones que han conducido a conocimientos en esta área. Definitivamente estoy familiarizado con Hubel, su trabajo fue seminal. Probablemente descubrirá con más investigación que puede haber una razón por la que se "pasó por alto". El hecho de que cosas como la direccionalidad, etc., ya se hayan establecido para operar por códigos de tarifa descarrila una parte sustancial de lo que afirma. Creo que esta pregunta puede responderse mejor en un contexto filosófico si vas a ignorar el trabajo existente.
@ChuckSherrington El hecho de que se use un código de tarifa no afecta en lo más mínimo mi reclamo. La metáfora del instrumento musical que di debería dejar esto claro.
@bfrs No voy a continuar esta discusión con usted hasta que haya leído un poco más sobre la investigación científica real y establecida en esta área y venga a la mesa con una referencia bibliográfica. Creo que tienes mucha pasión por esto, y eso es fantástico (honesto), pero necesitas tener los hechos fisiológicos básicos antes de desafiar al establecimiento con una idea. A partir de ahora, solo estás usando humo y espejos para hacerlo.
@ChuckSherrington Point señaló. He estado releyendo a Hubel y me di cuenta de que me perdí la mayor parte de los detalles durante mi lectura anterior. Por cierto, esta idea no desafía el establecimiento, es solo un adorno menor en la investigación establecida.
@bfrs Pruebe el siguiente enfoque. Deje de lado el tema del color por ahora, ya que eso complica las cosas por ahora. Imagina un vertebrado mirando un fondo que tiene dibujada una gran línea horizontal negra y nada más. Trace la imagen de esa línea horizontal desde la retina, a través del ganglio retinal, hasta el núcleo geniculado lateral y en V1. Esto lo familiarizará con el concepto de campos receptivos. Mientras estudia los campos receptivos, tenga en cuenta el papel que desempeña la codificación de frecuencias en la transmisión de la información a través de los núcleos.
continuación Vea si su biblioteca local tiene este libro o si pueden pedirlo por usted. Tiene una excelente descripción del sistema visual. Está agotado, pero muchas bibliotecas todavía lo tienen. Si no, busque en su hermano mayor, este libro , pero las secciones son menos digeribles.
@ChuckSherrington Gracias por los enlaces de libros de texto.

Respuestas (2)

Esta es una idea interesante, pero no creo que sea correcta. Una información que va en contra de la idea es la siguiente: la información auditiva está codificada por la modulación de frecuencia y amplitud de los picos neuronales. La idea de que la tasa de aumento se correlacione directamente con la frecuencia está en contradicción con la idea de que la tasa de aumento contiene este tipo de "meta" información sobre el origen de la actividad.

Sabemos bastante acerca de cómo se representa la información sensorial en el sistema nervioso. El simple hecho de que los axones mielinizados no interfieran entre sí ya explica el problema para el que ha propuesto una solución.

si los 3 tipos de células cónicas generaran respuestas idénticas para una tasa de incidencia dada... entonces no habría forma de que las neuronas aguas arriba supieran de qué tipo de células cónicas provino una secuencia de picos

Aquí creo que es donde has cometido un error. La transmisión de actividad desde la propia neurona sensorial a una neurona aguas arriba transmite inherentemente información sobre la sensación. El disparo de la neurona sensorial es una traducción de los fenómenos externos a un código neuronal interno. No se necesita información adicional para representar la fuente de la actividad.

Referencias

Li Liang, L., Lu, T. y Wang, X. (2002) Representaciones neuronales de modulaciones de frecuencia y amplitud sinusoidal en la corteza auditiva primaria de primates despiertos . J. Neurofisiol 87:2237-2261.

¡Esto es seguramente más efectivo que el tomo de 5 páginas sobre el sistema visual que estaba pensando escribir! Buen trabajo.
Su descripción del sistema auditivo parece estar en desacuerdo con lo que he leído en otro lugar, la Teoría del lugar de von Bekesy , que esencialmente dice que la cóclea hace una transformada de Fourier de la onda de presión de entrada registrada por el tímpano. Además, siento que se ha perdido el problema que estoy describiendo, aquí hay otro intento: si el rojo/azul/verde se convierten todos al mismo código neuronal, un flujo de pico codificado por velocidad, ¿cómo saben las regiones superiores cuál es cuál?
@bfrs La fisiología auditiva ha avanzado significativamente desde Bekesy. El documento que vinculé muestra esto, y puedes encontrar muchos más sobre el mismo tema. No creo haberte entendido mal. No estás considerando que la individualidad de las neuronas es en sí misma un tipo de codificación. Las regiones superiores saben cuál es cuál porque las diferentes células ganglionares de la retina (simplificación aquí) responden a diferentes colores. Cuando se dispara una célula ganglionar verde/roja, está informando a las regiones superiores que hay verde/rojo dentro de ese lugar en la retina. No es necesario codificar información adicional en la tasa de disparo.
@Preece Gracias por responder. Ok, aquí es donde me sigo confundiendo: ¿Qué sucede si justo después de que se dispara el ganglio verde/rojo, un ganglio azul/amarillo justo al lado se dispara... cómo sabe la región superior que no es otro (o el anterior) verde/rojo? uno disparando por segunda vez?
@bfrs Porque cada célula ganglionar tiene su propia proyección axonal al LGN. El LGN es más o menos un mapa topográfico de las células ganglionares, por lo que se conserva la información.
@Preece Supongo que tengo que leer un poco para entender cómo el LGN crea su mapa topográfico. ¿Alguna sugerencia para una buena fuente de material de lectura?
@Preece Espero que no se haya perdido la nueva sección que agregué a la pregunta: ¿Por qué (creo) el tipo de mensaje debe estar codificado en el mensaje mismo?
@bfrs Comience a pensar en términos de actividad. Eso es lo que cuenta. Las neuronas pueden considerarse conductos para esta actividad. La actividad generada por algún suceso externo viaja al sistema nervioso, y esa actividad representa inherentemente lo que la causó. Esa es la base del funcionamiento del sistema nervioso, y puede ser un poco difícil de digerir. Aquí hay un ejemplo más para aclarar: ¿cómo diferencia el sistema nervioso entre un toque en el dedo del pie y en el dedo? Porque las neuronas sensoriales en el dedo del pie representan inherentemente la actividad allí. No es necesario codificar la ubicación.

Después de una experiencia reveladora releyendo el libro de Hubel, Eye, Brain & Vision y un montón de artículos, descubrí que la respuesta a mi pregunta es un superficial y un rotundo no .

No sorprende que los neurocientíficos hayan investigado si existen características análogas a los flujos de picos neurales:

Las neuronas se comunican entre sí mediante pulsos eléctricos estereotipados, llamados picos. Se cree que las neuronas no transmiten más información que la frecuencia de los picos transmitidos, llamada tasa de disparo. Sin embargo, es posible que las neuronas puedan comunicar alguna información a través de los patrones temporales más finos de los picos porque las señales biológicas, así como las eléctricas/mecánicas, generalmente revelan las condiciones internas del generador de señales...

... Primero, descubrimos que las neuronas exhiben patrones de disparo estables que pueden caracterizarse como "regulares", "aleatorios" y "ráfagas". En segundo lugar, observamos una fuerte correlación entre el tipo de patrón de señalización exhibido por las neuronas en un área determinada y la función de esa área.

Entonces, en un sentido superficial, la respuesta es sí, las neuronas sensoriales pueden tener patrones de activación característicos. Sin embargo, cuando se trata de transmitir señales analógicas genéricas, las neuronas tienen una gran desventaja: cualquier característica analógica en la señal se pierde en las uniones sinápticas, donde la señal eléctrica se transforma en un mensaje químico.

Una forma de preservar al menos parte de la información analógica, por ejemplo, el tipo de mensaje codificado en un patrón característico, podría ser transmitir el mensaje a través de una secuencia de neuronas del mismo tamaño y tipo que se disparan de manera similar . Sin embargo, en el sistema visual, no hay evidencia de esto. Las células ganglionares de la retina tienen sus axones que terminan en el LGN cuyas neuronas son muy diferentes, y estas a su vez envían sus espigas a V1 cuyas neuronas son nuevamente diferentes. Entonces, cualquier patrón característico generado por los ganglios se pierde en las sinapsis LGN.

La pregunta más grande aún permanece: ¿cómo las regiones superiores descubren qué tipo de ganglio está enviando la corriente de picos? (Formularé esto más correctamente como una pregunta separada).

a tu última pregunta. ¿Pasaste tiempo pensando en mi comentario ? La parte clave de las redes neuronales es su patrón de cableado, sin embargo, recomiendo leer un poco de wikipedia antes de hacer preguntas de seguimiento.
a quien votó negativamente, ¿podría comentar qué encontró mal en mi respuesta?
@ArtemKaznatcheev en lugar de la publicación de blog prometida, agregué una nueva sección a la pregunta. En esencia, lo que estoy tratando de transmitir es que, a diferencia de un NN o chip diseñado por humanos donde el cableado está completamente preespecificado, en el cerebro, el código genético no parece hacer esto.
hay un montón de NN donde el cableado no se especifica inicialmente. ¿Por qué no busca el algoritmo de correlación en cascada o algunas de las preguntas que hice? Hacer modificaciones significativas a una pregunta después de haberla respondido se considera de mala forma.
How do upper regions figure out what type of ganglion is sending the spike stream?Campos receptivos. Las neuronas con un tipo de campo receptivo en la retina se mapean en aquellas con un campo receptivo similar en el tálamo (la noción de topografía que menciona Preece) que se mapean en neuronas con un campo receptivo similar en los centros superiores. Reafirmo que un combate con un buen libro de texto te abrirá estos mundos.