Verarbeitet das periphere Nervensystem Informationen wie zentrale Neuronen?

Kurze Antwort

• Periphere Nerven können z . B. durch elektrische Impulse stimuliert werden, und ihre Reaktionen können unter Verwendung von Aufzeichnungselektroden aufgezeichnet werden.
• Periphere Nerven verarbeiten das Signal im Allgemeinen nicht. Sie können und werden sich jedoch wahrscheinlich nichtlinear verhalten, was bedeutet, dass sich ihre Übertragungseigenschaften je nach Stimulus im Laufe der Zeit ändern können.

Hintergrund
Ich werde mich dieser Frage anhand des Cochlea-Implantats (CI) nähern. Kurz gesagt, diese Geräte werden Menschen mit ausgeprägtem Hörverlust in das Innenohr implantiert (Abb. 1). CIs stimulieren den Hörnerv direkt mit elektrischen Impulsen, umgehen so die entarteten Haarzellen und stellen das funktionelle Hören wieder her.

Die durch CIs ausgelösten Hörnervenreaktionen werden routinemäßig aufgezeichnet, um die Funktionalität des Implantats zu beurteilen. Diese Aufzeichnungen werden als elektrisch evozierte Compound Action Potential (eCAP)-Antworten bezeichnet (Abb. 2). Grundsätzlich wird eine Elektrode stimuliert und die Nervenreaktion von einer anderen Elektrode gemessen. Alle Aktionspotentiale der einzelnen Hörnervenfasern werden grundsätzlich synchron erfasst, woraus sich ein zusammengesetztes Aktionspotential (CAP) ergibt. Dies wird wahrscheinlich Ihre zweite Frage beantworten, nämlich ja, Nervenreaktionen können elektrisch ausgelöst und mit dem richtigen Aufnahmeaufbau aufgezeichnet werden .

Um auf Ihre erste Frage zurückzukommen – Nervenreaktionen sind nichtlinear, da neuronale Reaktionen eine Anpassung an die Stimulation zeigen. Grundsätzlich werden die Nerven nach einer Weile feuermüde. Um auf das CI-Beispiel zurückzukommen; Wenn hohe Raten elektrischer Reize auf das Innenohr angewendet werden, zeigt der Hörnerv ein langsames Anpassungsverhalten, wodurch die Amplitude der Nervenantwort mit der Zeit langsam abnimmt. Dies wird dadurch verursacht, dass immer mehr Fasern weniger ansprechen. Dann gibt es einen kurzfristigen Effekt, der durch Feuerfestigkeit verursacht wirdaus einzelnen Fasern. Wenige Millisekunden nachdem eine Faser gezündet hat, reagiert sie nicht mehr auf einen nachfolgenden Stimulus. Dies führt dazu, dass einige Fasern den Reiz überspringen. Während einer hochfrequenten Impulsfolge führt dies dazu, dass e eCAP abwechselnd eine normale und eine niedrige Amplitude aufweist (Abb. 3). Damit ist Ihre erste Frage auf den Punkt gebracht, nämlich dass Nerven das Eingangssignal sicher verändern können. Der Prozess der Anpassung ist in der Peripherie weit verbreitet, zum Beispiel zeigen ihn alle Sinnessysteme in gewissem Maße. Es handelt sich jedoch nicht um eine reale Verarbeitung, wie beispielsweise die Verarbeitung in der peripheren Netzhaut, wo komplexe Schaltkreise die Netzhautausgabe an den Sehnerv deutlich verändern.

^{Abb. 1. Cochlea-Implantat. Quelle: SpeechBuddy}

^{Abb. 2. Prinzip der eCAP-Aufzeichnung. Quelle: AD Costlow}

^{Abb. 3. eCAP-Amplituden während Hochfrequenzstimulation (900 Impulse/s) eines CI. Abbildungsausschnitt adaptiert aus: Hughes et al . (2014)}

<sub>Referenz
- Hughes et al ., Hear Res (2014); 316 : 44-56</sub>

Verarbeitet das periphere Nervensystem Informationen wie zentrale Neuronen?

Nein. Zentrale Neuronen verarbeiten Informationen überwiegend über neuronale Netze. Ein neuronales Netzwerk ist im Grunde eine Gruppe von Neuronen, die Synapsen zueinander haben und dadurch erregende und hemmende Eingaben liefern. Das periphere Nervensystem wird allgemein als Relais zwischen der Peripherie (z. B. Gliedmaßen) und dem Gehirn angesehen. Sie bilden im Allgemeinen keine Synapsen mit Neuronen außerhalb des ZNS und können daher keine Verarbeitung wie Neuronen im ZNS durchführen.

„Weiterleiten“ Nerven zB im Arm eines Menschen nur irgendwelche Informationen oder verarbeiten sie auch in irgendeiner Weise eingehende Signale? Dadurch würde sich das elektrische Signal dann unterscheiden, wenn es am Anfang und am Ende eines Nervs gemessen wird.

Auf der Ebene des einzelnen Neurons wird das "Signal" allgemein als Aktionspotential angesehen . Aktionspotentiale werden typischerweise als Alles-oder-Nichts-Ereignisse beschrieben und breiten sich entlang der Nervenfaser aus. Die genaue Morphologie des Aktionspotentials kann sich während seiner Ausbreitung ändern, aber wenn es sein Ende erreicht, wird es die Freisetzung von Neurotransmittern veranlassen, um das nächste Neuron zu signalisieren.

Eine alternative Definition von "Signal" sind postsynaptische Potentiale . Dies sind die kleinen Spannungsänderungen, die eine Nervenfaser durch das Vorhandensein von Neurotransmittern erfährt. Das Modell von Hodgkin und Huxley liefert eine mathematische Beschreibung, wie dieser Prozess funktioniert.

Kann ein Nerv an einem Punkt mit einem bestimmten elektrischen Signal als Input stimuliert werden (mit unterschiedlicher Rate etc., um Informationen zu kodieren) und kann der Output an einem anderen Punkt gemessen werden?

Nein (naja vielleicht). Einen Nerv an einer bestimmten Stelle zu stimulieren ist schwierig. Hodgkin und Huxley injizierten in ihrer mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Arbeit Strom (vielleicht Spannung) in das Riesenaxon des Tintenfischs und maßen die Reaktion. Die Technik der intrazellulären Aufzeichnungen beinhaltet Patch-Clamping und ist nicht einfach (wiederum eine nobelpreiswürdige Entdeckung). Das Patch-Clamping einer Zelle an zwei Stellen ist wahrscheinlich theoretisch möglich, aber ich bemitleide den Doktoranden, der es tun muss.

Bei extrazellulären Aufzeichnungen ist es schwierig zu wissen, „wo“ Sie stimulieren und aufzeichnen. Es ist oft schwierig zu wissen, von welchem ​​Neuron Sie aufnehmen.