„Nested Neurons“: Sind sie biologisch plausibel?

Abgesehen von der Realisierbarkeit von Neuronen innerhalb von Neuronen in silico , ist die Antwort auf

Gibt es Hinweise darauf, dass Neuronen in anderen Neuronen bei Menschen oder anderen Organismen existieren?

aus praktischer, biologischer sicht ist nein .

Der Standpunkt der Literatur
Das stärkste Argument gegen das in ein anderes Neuron eingebettete Neuron (ich sage absichtlich nicht „verschachtelt“, da es einen rechnerischen und statistischen Beigeschmack hat) ist: Ich habe noch nie davon gehört. Ich könnte jedes einzelne Neuro-Lehrbuch zitieren, das ich habe , ohne das Phänomen zu erwähnen, aber ich wette, das macht nicht allzu viel Sinn, daher dieses nicht referenzierte Argument.

Die physiologische Sicht
Neuronen brauchen ein Membranpotential, um zu funktionieren, zB um Aktionspotentiale auszulösen oder ihre Membran graduell zu verändern. Dieses Membranpotential ist, mit vielleicht ein oder zwei Ausnahmen, immer negativ. Das heißt, innen negativ, außen neutral. Ein Neuron innerhalb eines Neurons würde ersteren unwirtliche Lebensbedingungen bieten. Letzteres wäre auch nicht allzu glücklich. Ersteres wird nicht in der Lage sein, den normalen Gradienten von hohem Na ⁺ außerhalb der Zelle und hohem K ⁺ innerhalb der Zelle aufzubauen, da das umhüllende Neuron genau dasselbe versuchen würde. Die innere Zelle würde also einen Gradienten aufbauen (Na ^{+ drücken}heraus) und die Hüllzelle würde das Na ⁺ wieder heraus transportieren. Für K ⁺ würde das Gegenteil passieren (siehe Na ⁺ , K ⁺ -ATPase für den Hintergrund). Kurz gesagt, die innere Zelle wäre nicht in der Lage, einen Membrangradienten aufzubauen, während die äußere Zelle mit einem lästigen Parasiten fertig werden müsste, der ihre ionische Homöostase durcheinander bringt. Die innere Zelle würde absterben, da viele für die Zelle lebenswichtige Prozesse einen Gradienten benötigen (Ionentransport von Nährstoffen entlang der Membran, Abfallentsorgung) und die äußere Zelle wäre dann endlich ein glückliches Neuron, abgesehen von den Trümmern in ihrem Inneren.

Die teleologische Sicht
Physikalisch eingebettete Neuronen ergeben keinen Sinn. Ganz einfach, weil Neuronen im Grunde dazu da sind, Informationen von einem Neuron zum nächsten zu übermitteln. Das Lehrbuchbeispiel eines Neurons (Abb. 1) hat einen Eingangsteil ( dendritische Region ), einen Raum durchquerenden Teil zur Überwindung von Distanzen (das Axon ) und einen Ausgangsteil (das Axonterminal ).). Jede Verarbeitung innerhalb des Neurons erfolgt hauptsächlich durch logische Operatoren wie Summierung, Subtraktion und Integration (durch den dendritischen Baum, der Informationen sammelt) und Gewinnkontrolle (hemmende oder erregende Einflüsse in dendritischen Regionen, Zellkörpern oder axonalen Teilen). Aber am Ende ist ein Neuron darauf ausgelegt, Informationen von A nach B zu transportieren. Daher macht ein Neuron in einem Neuron aus neurophysiologischer Sicht keinen Sinn.

^{Abb. 1. Lehrbuchbeispiel eines Motoneurons. Das Neuron erhält Informationen von höheren motorischen Bereichen in der dendritischen Region und stimuliert den Muskel mit Aktionspotentialen. Der Tarifcode wird verwendet, um die Stärke der Muskelkontraktion zu regulieren. Quelle: Obes DVR-Listen .}

<sub>Referenz
- Purves et al . (Hrsg.) Neuroscience , 2. ^Aufl . Sunderland (MA): Sinauer Associates (2001). Die ionische Basis von Aktionspotentialen</sub>

Hier sind einige Anmerkungen und Ideen und hoffentlich eine Antwort auf Ihre Frage:

1. Neue Membranen werden durch einen Prozess während Teilungen produziert, wie Sie in Genetik lesen; manchmal Embryogenese genannt. Es ist nur die Teilung des Zytoplasmas. Es wird vorgeschlagen, dass die Schicht, die Nuklide trennt, in Richtung Nuklide innerhalb eines einzigen Zytoplasmas polarisiert, in dem sie alle sind. Wie aus der Definition des Wortes "Zelle" hervorgeht, befindet sich normalerweise in der endgültigen Form eines Gewebes keine Zelle innerhalb einer Zelle (oder ihres Zytoplasmas). Sie werden in zwei Zellen aufgeteilt, wie immer in der Wissenschaft geschieht dies „normalerweise“ ( Dieser Artikel liefert einige Hintergründe dazu, wie dieser Mechanismus funktioniert ).

2. Es gibt jedoch Vesikel, einfach Tüten mit irgendwelchen chemischen Stoffen (zB Neurotransmittern). Sie verschmelzen an ihren Enden mit der Zellmembran und etwas Nt würde freigesetzt. Sie sind zwar keine lebenden Zellen, aber ihre äußere Schicht ähnelt der einer echten Zelle und besteht aus einer Phospholipid-Doppelschicht.

3. Anstelle von Neuronen gibt es im Nervensystem einige weitere Zellen, Glias genannt , sogar mehr als Neuronen. Ihre Hauptaufgabe scheint die Unterstützung von Neuronen und Synapsen zu sein. Sie können sie sich als unterstützende Zellen vorstellen, die zusammen mit einem Neuron oder einer Synapse ihnen helfen, aktiviert oder deaktiviert zu werden. Es gibt neuere Studien, die die Rolle von Glias im Gehirn untersuchen.

4. Neuronen (zum Beispiel im Kortex, dem einflussreichsten Bereich des Gehirns, interessieren Informatiker) führen keine Aktivierungen alleine durch. Aber sie bilden ein Netzwerk; in der Tat Netzwerke von Netzwerken. Im Kortex bilden sie zusammen Säulen, Supersäulen und beim Menschen etwa 6 Schichten. Sie untersuchen normalerweise Gruppen, Säulen oder größere Formen miteinander verbundener Neuronen, außer bei invasiven bildgebenden Verfahren für einzelne Neuronen. Neuronen wurden also in gewissem Sinne untersucht, indem sie "im Durchschnitt" Berechnungen durchführten., aber nicht alleine. Sogar die Aktivierung in Neuronen (Aktionspotentiale) wird an einem Ort namens Axonhügel erzeugt, der nicht rationalisiert, dass zwei Zellen einfach zwei unabhängige Signale erzeugen und sie dann zusammenführen können; Dies kann auf Synapsenebene einfacher durchgeführt werden, da die Natur nur ein Faultier ist und die besten zufälligen Ergebnisse ausgewählt werden.

5. Synapsen sind Orte, an denen Informationen in künstlichen und natürlichen neuronalen Netzen gespeichert werden. So bietet selbst eine Zelle innerhalb einer Zelle (verbunden) keine weiteren Verbesserungen (wie neue Trends zur Bereitstellung von Rechenleistung, die für tiefe Netze erforderlich ist). Durch Zelle-in-Zelle in ANNs fügen Sie einfach eine weitere Verbindung und möglicherweise eine neue Schicht hinzu. Sie können dasselbe tun, indem Sie wie in tiefen Netzwerken eine neue Ebene definieren.

6. Aktionspotentiale zum Weiterleiten von Aktivierungssignalen in der Zelle werden an Orten außerhalb des Zellkörpers (Soma) ausgeführt und entwickelt. Sie treten normalerweise in Dendriten und hauptsächlich in Axonen auf. Also biologisch gesehen. Ein Zellkörper innerhalb eines Zellkörpers hilft oder greift nicht in Berechnungen oder zur Kommunikation ein. Wenn es in der realen Welt passiert, gibt es nur Mutationen oder falsch oder im Labor entwickelte (es ist möglich, oder?); ähnlich führen andere Lösungen den gleichen Mechanismus aus, zum Beispiel wie ein einzelnes Neuron oder zwei verbundene Neuronen normalerweise durch eine einzelne Synapse.

7. Obwohl die Idee durch selbstähnliche Systeme (Fraktale), Dimensionen von Selbstähnlichkeitsmaßen, dynamischen Systemen und in der allgemeinen Chaostheorie untersucht werden könnte. Im neuronalen System ist diese fraktale Dimension eine ganze Zahl auf Zellebene (eine einzelne Zelle). Sie können jedoch untersuchen, wie diese Selbstähnlichkeit für künstliche neuronale Netze funktioniert :-).

Ich habe versucht, Ihre Frage aus der Perspektive der biologisch inspirierten Informatik zu betrachten ... und hoffe, es hilft :-)

Wie die anderen Antworten zeigen, gibt es kein Neuron in einem anderen Neuron, dh ein buchstäblich verschachteltes Neuron.

Aus Sicht eines künstlichen neuronalen Netzwerks gibt es jedoch Hinweise darauf, dass ein einzelnes pyramidenförmiges Neuron dank seines dendritischen Baums als hierarchisches zweischichtiges Netzwerk arbeiten kann. Um die Zusammenfassung des Papiers zu zitieren

Die lokale supralineare Summierung von in Pyramidenzellen auftretenden Dendriten, den sogenannten dendritischen Spikes, führt zu unabhängigen Spiking-dendritischen Untereinheiten, die Pyramidenneuronen in zweischichtige neuronale Netzwerke verwandeln, die in der Lage sind, linear nicht trennbare Funktionen zu berechnen, wie z als exklusives ODER.

Das bedeutet, dass sich das Neuron so verhält, als hätte es viele verschachtelte Untereinheiten, die tatsächlich nur Äste des dendritischen Baums sind, keine echten Neuronen.

Ich bin kein Experte auf diesem Gebiet, aber Sie sollten sich die Arbeit von Boris Gutkin ansehen, der derzeit in Moskau ist .

So wie ich die Idee des parallelen Rechnens verstehe, besteht die Idee der massiven Parallelität darin, die Größe der (Computer-)Knoten zu reduzieren und gleichzeitig die Verbindungen zwischen den Knoten zu maximieren. Wenn Sie sich die Entwicklung von Supercomputern ansehen, bestanden sie ursprünglich aus sehr leistungsstarken superskalaren Prozessoren. Aber im Laufe der Zeit versuchen sie, mehr miteinander verbundene, leichtere Prozessoren zu bauen. Das liegt daran, dass die Kommunikation der Engpass im Supercomputing ist. Leistungsstarke Knoten berechnen zu viele Informationen, die sie bereithalten müssen, um mehr von ihren (entfernten) Nachbarn zu empfangen/zu senden. Es macht keinen Sinn, sehr leistungsfähige Knoten zu bauen, sondern stattdessen den Maschinenraum für mehr Verkabelung aufzuwenden.

Neuronale Netze sind die ultimativen Parallelisierungsmaschinen. Ihre Rechenknoten, Neuronen, sind so einfach wie möglich. Das als Konnektionismus bekannte Paradigma bedeutet, dass die Berechnung durch die Entstehung von Ergebnissen erreicht wird, wenn einfache Knoten miteinander kommunizieren. Es besteht hauptsächlich aus Kabeln. In NN wird die Berechnung durch Tausende von Synapsen zwischen Neuronen und nicht durch das Neuron selbst durchgeführt. Die Idee ist, dass Sie sich direkt mit so vielen anderen Neuronen wie möglich verbinden sollten. Sie können eine Reihe verbundener Neuronen als ein Neuron (Subnetzwerk) betrachten, aber warum und sicher möchten Sie keine Neuronen durch einen physischen Wrapper isolieren, um sie zu zwingen, sich nur miteinander zu verbinden und mögliche Verbindungen mit dem Rest zu verhindern Neuronen. Es scheint unnötig, schwierig zu implementieren und nicht nur eine verschwenderische, sondern nachteilige Einschränkung.

Für andere (sub)neuronale Netze ist im Neuron kaum Platz. Sie können selbst entscheiden, indem Sie die Funktion des Neurons analysieren, wie Sie es implementieren können. Soweit ich weiß, bestehen biologisch plausible Spiking-Neuronen aus einem einfachen Kondensator + Widerstand + etwas, das eine Spitze abfeuert, wenn die Kondensatorladung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. Nichts deutet darauf hin, dass Sie entweder ein anderes neuronales Netzwerk in das Neuron einbauen können oder es benötigen, um es zu simulieren.

Warum nicht die Existenz von Menschen in den Neuronen oder kleineren Köpfen im menschlichen Kopf vermuten? Ein Kopf, der aus anderen Köpfen besteht, kann mehr Kraft geben.