Retropropagação neural - Neural backpropagation

Este artigo é sobre o processo biológico. Para o algoritmo do computador, consulte Backpropagation .

A retropropagação neural é o fenômeno no qual, após o potencial de ação de um neurônio criar um pico de voltagem no axônio (propagação normal), outro impulso é gerado a partir do soma e se propaga em direção às porções apicais da árvore dendrítica ou dendritos (a partir dos quais grande parte da corrente de entrada original foi originada). Além da retropropagação ativa do potencial de ação, também ocorre a propagação eletrotônica passiva . Embora haja ampla evidência para provar a existência de potenciais de ação retropropagadores, a função de tais potenciais de ação e a extensão em que eles invadem os dendritos mais distais permanecem altamente controversos.

Mecanismo

Representação visual de dois mecanismos de retropropagação neural.
Métodos de retropropagação neural. Esquerda: o potencial de ação se forma no axônio e viaja em direção ao soma. À direita: o potencial de ação regular gera um eco que se propaga de volta pela árvore dendrítica.

Quando os potenciais pós-sinápticos excitatórios graduados (EPSPs) despolarizam o soma para aumentar o limiar no outeirinho do axônio , primeiro, o axônio experimenta um impulso de propagação através das propriedades elétricas de seus canais de sódio e potássio dependentes de voltagem. Um potencial de ação ocorre primeiro no axônio, pois a pesquisa mostra que os canais de sódio nos dendritos exibem um limiar mais alto do que aqueles na membrana do axônio (Rapp et al., 1996). Além disso, os canais de sódio dependentes de voltagem nas membranas dendríticas, tendo um limite mais alto, ajudam a impedi-los de disparar um potencial de ação a partir da entrada sináptica. Em vez disso, apenas quando o soma despolariza o suficiente por acumular potenciais graduados e disparar um potencial de ação axonal, esses canais serão ativados para propagar um sinal que viaja para trás (Rapp et al. 1996). Geralmente, os EPSPs da ativação sináptica não são grandes o suficiente para ativar os canais de cálcio dependentes de voltagem dendríticos (geralmente na ordem de alguns miliamperes cada), portanto, acredita-se que a retropropagação ocorre apenas quando a célula é ativada para disparar um potencial de ação. Esses canais de sódio nos dendritos são abundantes em certos tipos de neurônios, especialmente nas células mitrais e piramidais, e se inativam rapidamente. Inicialmente, pensava-se que um potencial de ação só poderia viajar para baixo do axônio em uma direção (em direção ao terminal do axônio, onde finalmente sinalizou a liberação de neurotransmissores). No entanto, pesquisas recentes forneceram evidências da existência de potenciais de ação de propagação reversa (Staley 2004).

Este diagrama mostra como o pico de voltagem dendrítica ocorre após a despolarização do axônio e soma.

Para elaborar, a retropropagação neural pode ocorrer de duas maneiras. Primeiro, durante o início de um potencial de ação axonal, o corpo celular, ou soma, também pode se tornar despolarizado. Essa despolarização pode se espalhar pelo corpo celular em direção à árvore dendrítica, onde há canais de sódio dependentes de voltagem. A despolarização desses canais de sódio dependentes de voltagem pode então resultar na propagação de um potencial de ação dendrítico. Tal retropropagação é às vezes referida como um eco do potencial de ação de propagação direta (Staley 2004). Também foi demonstrado que um potencial de ação iniciado no axônio pode criar um sinal retrógrado que viaja na direção oposta (Hausser 2000). Esse impulso viaja pelo axônio, eventualmente, fazendo com que o corpo celular se torne despolarizado, desencadeando assim os canais dendríticos de cálcio dependentes de voltagem. Conforme descrito no primeiro processo, o desencadeamento de canais de cálcio dependentes de voltagem dendríticos leva à propagação de um potencial de ação dendrítico.

É importante notar que a força dos potenciais de ação retropropagadores varia muito entre os diferentes tipos de neurônios (Hausser 2000). Alguns tipos de células neuronais mostram pouca ou nenhuma diminuição na amplitude dos potenciais de ação à medida que invadem e viajam pela árvore dendrítica, enquanto outros tipos de células neuronais, como os neurônios de Purkinje cerebelares , exibem muito pouca retropropagação do potencial de ação (Stuart 1997). Além disso, existem outros tipos de células neuronais que manifestam vários graus de diminuição da amplitude durante a retropropagação. Pensa-se que isso se deve ao fato de que cada tipo de célula neuronal contém um número variável de canais dependentes de voltagem necessários para propagar um potencial de ação dendrítico.

Regulação e inibição

Geralmente, os sinais sinápticos que são recebidos pelo dendrito são combinados no soma a fim de gerar um potencial de ação que é então transmitido pelo axônio em direção ao próximo contato sináptico. Assim, a retropropagação dos potenciais de ação representa uma ameaça para iniciar um ciclo de feedback positivo descontrolado entre o soma e os dendritos. Por exemplo, quando um potencial de ação era acionado, seu eco dendrítico poderia entrar no dendrito e potencialmente acionar um segundo potencial de ação. Se não for verificado, um ciclo infinito de potenciais de ação acionados por seu próprio eco seria criado. A fim de evitar tal ciclo um, a maioria dos neurónios tem uma densidade relativamente elevada de canais de K + do tipo A .

Os canais de K + tipo A pertencem à superfamília dos canais iônicos dependentes de voltagem e são canais transmembrana que ajudam a manter o potencial de membrana da célula (Cai 2007). Normalmente, eles desempenham um papel crucial no retorno da célula à sua membrana em repouso após um potencial de ação, permitindo que uma corrente inibitória de íons K + flua rapidamente para fora do neurônio. A presença desses canais em alta densidade nos dendritos explica sua incapacidade de iniciar um potencial de ação, mesmo durante a entrada sináptica. Além disso, a presença desses canais fornece um mecanismo pelo qual o neurônio pode suprimir e regular a retropropagação dos potenciais de ação através do dendrito (Vetter 2000). Antagonistas farmacológicos desses canais promoveram a frequência de potenciais de ação retropropagadores, o que demonstra sua importância em evitar que a célula seja disparada excessivamente (Waters et al., 2004). Os resultados indicaram um aumento linear na densidade dos canais do tipo A com o aumento da distância entre o dendrito e o soma. O aumento na densidade dos canais do tipo A resulta em um amortecimento do potencial de ação retropropagante conforme ele viaja para o dendrito. Essencialmente, a inibição ocorre porque os canais do tipo A facilitam o fluxo de íons K + para manter o potencial de membrana abaixo dos níveis de limiar (Cai 2007). Essa inibição limita o EPSP e protege o neurônio de entrar em um loop de feedback positivo-positivo sem fim entre o soma e os dendritos.

História

Desde a década de 1950, existem evidências de que os neurônios no sistema nervoso central geram um potencial de ação , ou pico de voltagem, que viaja através do axônio para sinalizar o próximo neurônio e retropropaga através dos dendritos enviando um sinal retrógrado para seus neurônios de sinalização pré-sinápticos. Esta corrente decai significativamente com o comprimento da viagem ao longo dos dendritos, então os efeitos são previstos para serem mais significativos para os neurônios cujas sinapses estão perto do corpo celular pós-sináptico, com magnitude dependendo principalmente da densidade do canal de sódio no dendrito. Também depende da forma da árvore dendrítica e, mais importante, da taxa das correntes de sinal para o neurônio. Em média, um pico retropropagando perde cerca de metade de sua voltagem depois de viajar quase 500 micrômetros.

A retropropagação ocorre ativamente no neocórtex , hipocampo , substância negra e medula espinhal , enquanto no cerebelo ocorre relativamente passivamente. Isso é consistente com as observações de que a plasticidade sináptica é muito mais aparente em áreas como o hipocampo, que controla a memória espacial, do que o cerebelo, que controla mais funções inconscientes e vegetativas.

A corrente retropropagante também causa uma mudança de voltagem que aumenta a concentração de Ca 2+ nos dendritos, evento que coincide com certos modelos de plasticidade sináptica. Essa mudança também afeta a integração futura de sinais, levando a pelo menos uma diferença de resposta de curto prazo entre os sinais pré-sinápticos e o pico pós-sináptico.

Funções

Embora muitas perguntas ainda não tenham sido respondidas em relação à retropropagação neural, existem várias hipóteses a respeito de sua função. Algumas funções propostas incluem envolvimento na plasticidade sináptica , envolvimento na inibição dendrodendrítica , aumento das respostas sinápticas , redefinição do potencial de membrana, ações retrógradas nas sinapses e saída axonal condicional. Acredita-se que a retropropagação ajude a formar LTP (potenciação de longo prazo) e a plasticidade Hebbian nas sinapses do hipocampo. Uma vez que a indução LTP artificial, usando estimulação de microeletrodo, pinça de voltagem, etc. requer que a célula pós-sináptica seja ligeiramente despolarizada quando EPSPs são eliciados, a retropropagação pode servir como meio de despolarização da célula pós-sináptica.

Os potenciais de ação backpropagating podem induzir a potenciação de longo prazo, comportando-se como um sinal que informa à célula pré-sináptica que a célula pós-sináptica disparou. Além disso, a plasticidade dependente do tempo de pico é conhecida como o intervalo de tempo estreito para o qual o disparo coincidente dos neurônios pré e pós-sinápticos induzirá a plasticidade. A retropropagação neural ocorre nesta janela para interagir com os receptores NMDA nos dendritos apicais, auxiliando na remoção do bloco de Mg2 + sensível à voltagem (Waters et al., 2004). Este processo permite o grande influxo de cálcio que provoca uma cascata de eventos para causar a potenciação.

A literatura atual também sugere que os potenciais de ação retropropagadores também são responsáveis ​​pela liberação de neurotransmissores retrógrados e fatores tróficos que contribuem para a eficácia de curto e longo prazo entre dois neurônios. Uma vez que os potenciais de ação retropropagantes exibem essencialmente uma cópia do padrão de disparo axonal dos neurônios, eles ajudam a estabelecer uma sincronia entre os neurônios pré e pós-sinápticos (Waters et al., 2004).

É importante ressaltar que os potenciais de ação retropropagantes são necessários para a liberação do Fator Neurotrófico Derivado do Cérebro (BDNF). O BDNF é um componente essencial para induzir a plasticidade sináptica e o desenvolvimento (Kuczewski N., Porcher C., Ferrand N., 2008). Além disso, os potenciais de ação de retropropagação mostraram induzir a fosforilação dependente de BDNF da proteína de ligação ao elemento de resposta de AMP cíclico (CREB), que é conhecido por ser um componente importante na plasticidade sináptica e formação de memória (Kuczewski N., Porcher C., Lessmann V ., et al. 2008).

Algoritmo

Embora um potencial de ação retropropagante possa presumivelmente causar mudanças no peso das conexões pré-sinápticas, não existe um mecanismo simples para que um sinal de erro se propague por várias camadas de neurônios, como no algoritmo de retropropagação do computador . No entanto, topologias lineares simples mostraram que a computação eficaz é possível através da retropropagação de sinal neste sentido biológico.

Referências

  1. Buzsáki, G; Kandel, A (1998). "Retropropagação somadendrítica de potenciais de ação em células piramidais corticais do rato acordado". Journal of Neurophysiology . 79 (3): 1587–91. doi : 10.1152 / jn.1998.79.3.1587 . PMID  9497436 .

  1. ^ Rapp, M; Yarom, Y; Segev, I (outubro de 1996). "Modelagem do potencial de ação de retropropagação em dendritos fracamente excitáveis ​​de células piramidais neocorticais" . Anais da Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos da América . 93 (21): 11985–11990. Bibcode : 1996PNAS ... 9311985R . doi : 10.1073 / pnas.93.21.11985 . PMC  38170 . PMID  8876249 .
  2. ^ Água, J; Schaefer, A; Sakmann, B (setembro de 2004). "Potenciais de retropropagação em neurônios: medição, mecanismos e funções potenciais" . 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. (Julho de 2008). "Backpropagating Action Potentials Trigger Dendritic Release of BDNF Durante Espontânea Atividade De Rede" . 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. (Outubro de 2008). "Potencial de ação retropropagante" . Biologia Comunicativa e Integrativa . 1 (2): 153-155. doi : 10.4161 / cib.1.2.7058 . PMC  2686006 . PMID  19704877 .