Föreläsning 4: Neuronal organisation

Rest från Föreläsning 3: Jämförelse mellan plasticitet i hippocampus/neocortex resp. cerebellum

Vi diskuterade först skillnaden mellan unsupervised learning i hippocampus och neocortex resp. supervised learning med hjälp av klättertrådar i cerebellum (se F3 Notes). Vi diskuterade också hur, i hippocampusfallet, vad det är som avgör om LTP eller LTD induceras. Enligt Hebbs regel leder samtidig pre- och postsynaptisk aktivering till LTP, medan i princip samma aktivering men svagare och upprepad under lång tid ger LTD. Enligt en annan modell, spike-timing-dependent plasticity (STDP), ger aktivitet av typen pre-före-post upphov till LTP medan post-före-pre ger LTD. Man kan tänka sig att den presynaptiska cell som är förutseende skall belönas (LTP) medan den som är för sent ute skall bestraffas (LTD).

Kopplingsprinciper, konvergens/divergens och topografisk organisation

Hjärnan består av många celler som kopplas samman till nätverk. Följande kopplingsprinciper är basala. A: Flera celler påverkar en cell (konvergens) eller en cell påverkar flera celler (divergens). B: Topografisk organisation är också vanlig, t.ex. i projektionerna till och från primära sensoriska resp. motoriska areor (jfr begreppet ”homunculus”). Dessutom talar vi om retinotopisk organisation (från näthinnan till primära synbarken) och om tonotopisk organisation (från hörselsnäckan till primära hörselbarken). I cerebellum finns en frakturerad somatotopisk organisation (många små humunculi-fragment, som upprepas). En review om cerebellum-somatotopi har lagts ut på websidan.

Receptiva och projektiva fält

Ofta förekommer topografisk organisation och konvergens/divergens tillsammans. Det innebär att en viss, aktiverad cell påverkar en målcell och dess närmaste grannar: projektivt fält. Omvänt aktiveras en viss målcell av celler (eller stimuli) inom ett lokalt område på en tidigare nivå: receptivt fält. Till exempel kan man tänka sig att ett neuron i en viss, sensorisk bana aktiveras genom stimulering av ett begränsat område på huden, dvs det receptiva fältet. Begreppet projektivt fält nämns inte i boken men förtjänar att nämnas för fullständighetens skull. Orsaken till att man hellre arbetar med receptivt fält är att experimenten ofta går till så att man registrerar från en viss cell samtidigt som man på olika sätt undersöker hur den kan aktiveras.

Kontrastskärpning genom lateral inhibition

Genom att kombinera lokal excitation (liten divergens/konvergens) med en mer diffus inhibition (stor divergens/konvergens) fås ett system med sk lateral inhibition. De projektiva och receptiva fälten har ett typiskt utseende i form av en ”Mexican hat” (excitation i mitten och inhibition runt om). Lateral inhibition är vanlig i nervsystemet och åstadkommer en enkel form av bearbetning i form av kontrastskärpning. Vi diskuterade hur input i form av angränsande områden med hög resp. låg aktivitet avbildas på ett mönster med förstärkt kontrast i nästföljande steg (jfr synsystemet och uppkomsten av sk Mach-band, se nedan). Det är också intressant att tänka sig att en ”Mexican hat” åstadkommer en slags beräkning av bildens andraderivata och härigenom blir känslig för kontraster (vanlig metod inom signalbehandlings-vetenskap) .

Exempel på bearbetning i näthinnan: receptiva fält och betydelse för kontrastskärpning

I ögat uppkommer signalen först i näthinnans receptorer (stavar för mörkerseende och tappar för dagseende med känslighet för rött, blått eller grönt). I det centrala området "fovea" finns enbart de färgseende tapparna. I mörker frisätter receptorerna glutamat på bipolärcellerna (omvänt vid ljusstimulering), som leder signalen elektrotoniskt (passivt) och i sin tur frisätter glutamat i sina synapser till gangliecellerna, vars axoner bildar synnerven. Man tänker sig att det finns två sorters bipolärceller, som reagerar genom depolarisering resp. hyperpolarisering på ljusstimulering (hur detta egentligen fungerar är oklart). På tvären finns horisontalceller (passivt ledande) och amakrinceller (aktivt ledande). Genom interaktion mellan alla dessa celler får gangliecellerna receptiva fält som kan beskrivas som on-center-off-surround, alternativt off-center-on-surround. Detta leder till kontrastkänslighet hos gangliecellerna och uppkomst av perceptionsfenomen som t.ex. Mach-band vid betraktning av olika ljusa ytor som gränsar till varandra.

[Exempel på bearbetning i örat

Detta är ett intressant område, som vi tyvärr inte hade tid för på föreläsningen; därför klammermarkerat. Kolla gärna i boken vad platseteorin resp. frekvensteorin innebär. Notera också att tidsdifferenser (basen för riktningshörsel) beräknas tidigt i signalkedjan med hjälp av speciella nervceller. Den som är intresserad av de specialsynapser som behövs för att klara denna uppgift kan söka på nätet efter ”Calyx of Held”.]

Från öga till hjärnbark: organisation och typ av bearbetning, receptiva fält

Genomgång av synbanorna från näthinnan till primära visuella cortex (alias V1, striate cortex, area 17) visade hur hö och vä synfält projicerar till vä resp hö cortex. En mellanstation är thalamus-kärnan LGN (lateral geniculate nucleus eller på svenska laterala knäkroppen) men vad denna egentligen gör för nytta mer än att koppla signalerna vidare är inte helt klart. Enligt vissa teorier kan LGN och andra delar av thalamus utnyttjas för att selektera information genom uppmärksamhet (se länkar på kurshemsidan). För det fortsatta resonemanget kan noteras att signalerna från de bägge ögonen kopplas via separata lager i LGN och härigenom hålls isär tills de når synbarken. I själva verket är det mer komplicerat än så genom att man i både retina och LGN skiljer mellan färgkänsliga P-celler (P = parvo = liten; minnesstöd: parvel, palett) och svart-vit-känsliga M-celler (M = magno = stor; det finns också vissa andra skillnader mellan P- och M-celler, och även fler sorters celler). Stor/liten syftar på hur cellerna i P-systemet resp. M-systemet ser ut på LGN-nivå, där de återfinns i olika cell-lager (dessutom ”lagersepareras” också signalerna från höger resp. vänster öga) De receptiva fälten för både ganglieceller och LGN-celler är av typerna on-center-off-surround och off-center-on-surround. När det gäller de färgkänsliga cellerna har fälten i stället grön-röd eller blå-gul antagonism mellan center och surround (mer info finns på Webvision/Color-Vision).

Kortikala kolumner (orienterings-, riktnings-, hyper-, blob-, interblob-)

I V1 finns celler med cirkulära receptiva fält i anslutning till de inkommande axonerna (lager 4) men i övrigt talar man om "simple cells" och "complex cells" som är riktningskänsliga. En "simple cell" har t.ex. ett ovalt receptivt fält som gör att den fungerar som en linjedetektor. Man kan tänka sig att ett sådant receptivt fält uppkommer genom att celler med cirkulära fält konvergerar på en gemensam målcell. En komplex cell kan vara känslig för rörelse av en kontrastkant. Cellerna i cortex kommunicerar och samarbetar med varandra tvärs över olika lager (till skillnad från fallet med reläkärnan LGN) och bildar sk kolumner. I V1 finns både riktningskolumner (orientation columns) med känslighet för linjer med viss lutning och ögondominanskolumner som aktiveras huvudsakligen från höger resp. vänster öga. De två typerna av kolumner bildar "zebra-liknande" mönster arrangerade i rät vinkel mot varandra. Inom en kvadratmillimeter cortex (hyperkolumn) finns bearbetning för alla riktningar och bägge ögonen. Man kan se det som att cellerna i cortex spontant organiserar grupparbeten för att bearbeta signalerna från ett retinafragment ur olika aspekter. Desutom tas färginformation från P-cell-systemet omhand av sk blobbar i V1, små områden inom ögondominanskolumnerna som uppvisar förhöjd ämnesomsättning, omgivna av interblobb-områden.

Man tänker sig att en sk kolumn är en minsta funktionell del av cortex som utför en viss form av standard-bearbetning. Om det verkligen existerar kolumner som är separerade från varandra är inte helt klart. I vissa fall som t.ex. råttans morrhårs-barrels är emellertid separationen tydlig mellan olika kolumner/barrels.

Följande avsnitt (inom[ ]) hann vi inte med. Vi återkommer till dem på nästa föreläsning:

[Organisationsnivåer, dorsal och ventral streams, celltyper på hög nivå

V1 projicerar sedan till högre nivåer V2, V3, osv., sk visuella associationsområden. Det kan noteras att P-cell-systemet => V1 blobbar => "ventral visual stream", som kan analysera former (what) medan M-cell-systemet => V1-interblobb-områden => "dorsal visual stream", som kan analysera rumsaspekter (where). Cellerna på dessa högre nivåer kan vara känsliga för färger (specifikt för en viss färgton), djup (analys av retinal disparitet) och rörelse. Vissa celler på högsta nivån i ventral visual stream (hos apor) har visat sig vara känsliga för (ap-)händer eller (ap-)ansikten. Finns det rentav ”grandmother cells”, som bara reagerar på farmor (eller mormor)? Sannolikt fungerar det inte så och i den mån det finns celler med mycket specifik känslighet så är de nog inte ensamma utan ingår i någon form av nätverk, mer eller mindre avgränsat. MR-studier på människor har visat att den cortexarea som är känslig för ansikten också aktiveras (speciellt hos bilintresserade personer) vid diskriminering mellan olika bilmärken utifrån bilens form; och vid diskriminering mellan olikformade modell-lera-klumpar.

Är beskrivningen alltför enkel?

Sannolikt är det en grov förenkling att tänka sig synsystemet som en anordning, som bara extraherar alltmer komplicerade ”features”, så som har beskrivits ovan. Till exempel spelar små omedvetna ögonrörelser (fysiologisk nystagmus) en viktig roll och utan dessa (dvs om bilden stabiliseras helt på näthinnan) bleknar bilden bort. Större ögonrörelser som ”sackader” spelar en viktig roll för att utforska bilden. Interaktion mellan motorik och sensorik är därför viktig för synsystemet på liknande sätt som när man känner på och utforskar ett objekt med handen. En annan förenkling är att vi bara har talat om signaler från lägre till högre nivå, utan att tänka på att det också leds signaler i den andra riktningen. Det är möjligt att de nedåtstigande systemen inom den sensorisk bearbetningen utför någon form av prediktion (förslag av Jeff Hawkins, se länken till Almaden-konferensen), dvs förutsägelse om vad som kommer att hända. En avvikelse från det förutsagda skulle då kunna leda till att system på lämplig nivå aktiveras för att lösa ”problemet”. Ett annat exempel på nedåtstigande signaler i det sensoriska systemet är kopplingar från hjärnbarken och åter till talamus. Dessa kanske kan ha betydelse för att rikta in uppmärksamheten. Dubbelriktade signalflöden är viktiga även i samband med motorisk kontroll, t.ex. i form av återkoppling (feedback).]