Введение
Феномен нервной системы Нейронная адаптация или сенсорная адаптация - это постепенное сокращение с течением времени реактивности сенсорной системы на постоянный стимул. Обычно это ощущается как изменение стимула. Например, если рука лежит на столе, поверхность стола сразу же ощущается на коже. Однако впоследствии ощущение прикосновения поверхности стола к коже постепенно уменьшается, пока оно практически не замечается. Сенсорные нейроны, которые первоначально реагируют, больше не стимулируются к ответу; это пример нейронной адаптации. Все сенсорные и нейронные системы имеют определенную адаптацию, чтобы постоянно обнаруживать изменения в окружающей среде. Нейронные рецепторные клетки, которые обрабатывают и получают стимуляцию, постоянно меняются для млекопитающих и других живых организмов, чтобы ощущать жизненно важные изменения в их среде. Некоторые ключевые игроки в нескольких нервных системах включают ионы Ca2+ (см. Кальций в биологии), которые посылают отрицательную обратную связь во вторых путях мессенджера, которые позволяют клеткам нервных рецепторов закрывать или открывать каналы в ответ на изменения потока ионов. Существуют также механические системы, которые используют приток кальция для физического воздействия на определенные белки и перемещения их в закрытые или открытые каналы. Функционально, вполне возможно, что адаптация может увеличить ограниченный диапазон ответа нейронов для кодирования сенсорных сигналов с гораздо более широкими динамическими диапазонами путем смещения диапазона амплитуд стимулов. Кроме того, при нейронной адаптации возникает ощущение возвращения к исходному состоянию от стимулированного ответа. Недавние исследования показывают, что эти базовые состояния на самом деле определяются долгосрочной адаптацией к окружающей среде.
Neural adaptation or sensory adaptation is a gradual decrease over time in the responsiveness of the sensory system to a constant stimulus. It is usually experienced as a change in the stimulus. For example, if a hand is rested on a table, the table's surface is immediately felt against the skin. Subsequently, however, the sensation of the table surface against the skin gradually diminishes until it is virtually unnoticeable. The sensory neurons that initially respond are no longer stimulated to respond; this is an example of neural adaptation. All sensory and neural systems have a form of adaptation to constantly detect changes in the environment. Neural receptor cells that process and receive stimulation go through constant changes for mammals and other living organisms to sense vital changes in their environment. Some key players in several neural systems include Ca2+ions (see Calcium in biology) that send negative feedback in second messenger pathways that allow the neural receptor cells to close or open channels in response to the changes of ion flow. There are also mechanoreception systems that use calcium inflow to physically affect certain proteins and move them to close or open channels. Functionally, it is highly possible that adaptation may enhance the limited response range of neurons to encode sensory signals with much larger dynamic ranges by shifting the range of stimulus amplitudes. Also, in neural adaptation there is a sense of returning to baseline from a stimulated response. Recent work suggests that these baseline states are actually determined by long term adaptation to the environment.
Быстрая и медленная адаптация
Есть быстрая адаптация и медленная адаптация. Быстрая адаптация происходит сразу после подачи стимула, т.е. в течение сотен миллисекунд. Медленные адаптационные процессы могут занимать минуты, часы или даже дни. Два класса нейронной адаптации могут опираться на очень разные физиологические механизмы.
История
В конце 1800-х годов Герман Гельмгольц, немецкий врач и физик, широко исследовал сознательные ощущения и различные типы восприятия. Он определил ощущения как "сырые элементы" сознательного опыта, которые не требуют обучения, а восприятия как значимые интерпретации, полученные из чувств. Он изучал физические свойства глаза и зрения, а также акустические ощущения. В одном из его классических экспериментов, касающихся того, как восприятие пространства может быть изменено опытом, участники носили очки, которые искажали поле зрения на несколько градусов вправо. Участникам было предложено посмотреть на предмет, закрыть глаза и попытаться дотронуться до него. Сначала испытуемые тянулись к объекту слишком далеко влево, но после нескольких попыток смогли исправиться. Гельмгольц предположил, что адаптация восприятия может быть результатом процесса, который он назвал бессознательным выводом, когда разум бессознательно принимает определенные правила, чтобы понять то, что воспринимается в мире. Примером этого явления является то, что когда мяч становится всё меньше и меньше, разум делает вывод, что мяч удаляется от него. В 1890-х годах психолог Джордж М. Страттон провел эксперименты, в которых он проверил теорию адаптации восприятия. В одном эксперименте он носил очки с обратным движением в течение 21⁄2 часов в течение трех дней. После снятия очки "нормальное зрение восстановилось мгновенно и без каких-либо нарушений в естественном виде или положении предметов". В ходе более позднего эксперимента Страттон носил очки целых восемь дней. На четвертый день изображения, увиденные через прибор, все еще были перевернутыми. Однако на пятый день изображения казались вертикальными, пока он не сосредоточился на них; затем они снова стали перевернутыми. Принуждая его концентрироваться на своем зрении, чтобы снова перевернуть его вверх дном, особенно когда он знал, что изображения попадают на сетчатки в противоположной ориентации, как обычно, Страттон сделал вывод, что его мозг адаптировался к изменениям зрения. Страттон также проводил эксперименты, в которых он носил очки, которые изменяли его поле зрения на 45°. Его мозг смог адаптироваться к переменам и воспринимать мир как нормальный. Кроме того, поле может быть изменено, заставляя субъекта видеть мир вверх ногами. Но, когда мозг приспосабливается к переменам, мир кажется "нормальным". В некоторых экстремальных экспериментах психологи проверили, может ли пилот управлять самолетом с измененным зрением. Все пилоты, которые были оснащены очками, которые изменяли их зрение, смогли безопасно и легко управлять самолетом.
Визуальные
Адаптация считается причиной перцептивных явлений, таких как послеображения и последействие движения. При отсутствии фиксационных движений глаз зрительное восприятие может исчезать или исчезнуть из-за нейронной адаптации. (См. адаптацию (глаза)). Когда зрительный поток наблюдателя адаптируется к одному направлению реального движения, воображаемое движение может восприниматься с различной скоростью. Если воображаемое движение находится в том же направлении, что и во время адаптации, воображаемая скорость замедляется; когда воображаемое движение находится в противоположном направлении, его скорость увеличивается; когда адаптация и воображаемые движения ортогональны, воображаемая скорость не подвергается влиянию. Исследования с использованием магнитоэнцефалографии (МЭГ) показали, что испытуемые, подвергаемые повторному визуальному стимулу через короткие промежутки времени, становятся ослабленными к стимулу по сравнению с первоначальным стимулом. Результаты показали, что визуальные реакции на повторный стимул по сравнению с новым стимулом показали значительное снижение как силы активации, так и пиковой латентности, но не продолжительности нейронной обработки. Хотя движение и изображения чрезвычайно важны для адаптации, наиболее важной адаптацией является адаптация к уровням яркости. Когда вы входите в темную комнату или очень ярко освещенную комнату, требуется некоторое время, чтобы приспособиться к различным уровням. Приспосабливаясь к уровням яркости, млекопитающие могут обнаруживать изменения в окружающей среде. Это называется темной адаптацией.
Слуховые
Аудиторная адаптация, как и перцептивная адаптация с другими чувствами, является процессом, посредством которого люди адаптируются к звукам и шумам. Как показывают исследования, со временем люди склонны приспосабливаться к звукам и через некоторое время менее часто их различать. Сенсорная адаптация имеет тенденцию смешивать звуки в один, переменный звук, а не иметь несколько отдельных звуков в серии. Более того, после повторного восприятия, люди склонны приспосабливаться к звукам до такой степени, что они больше не воспринимают их сознательно, или, скорее, "запрещают их". Человек, живущий рядом с железнодорожными путями, в конце концов перестанет замечать звуки проходящих поездов. Подобным образом люди, живущие в больших городах, через какое-то время перестают замечать звуки движения. Переезжая в совершенно другую местность, например, в тихую сельскую местность, человек будет осознавать тишину, сверчков и т.д. Для механического восприятия звука требуется специальный набор рецепторных клеток, называемых волосковыми клетками, которые позволяют передавать градиентные сигналы в пространственные ганглии, где сигнал будет отправлен в мозг для обработки. Поскольку это механическая рецепция, отличная от химической, адаптация звука из окружающей среды в значительной степени зависит от физического движения открытия и закрытия катионных каналов на стереоцилиях волосковых клеток. Механоэлектрические каналы, расположенные на верхушках стереоцилий, готовы обнаруживать напряжение, вызванное отклонением пучка волос. Отклонение пучка волос генерирует силу, тянущую на белки кончиков, соединяющие смежные стереоцилии.
Обоняние
Перцептивная адаптация - это явление, которое происходит для всех чувств, включая обоняние и осязание. Человек может приспособиться к определенному запаху со временем. Курильщики или люди, живущие с курильщиками, склонны переставать замечать запах сигарет через некоторое время, тогда как люди, которые не курят регулярно, сразу замечают запах. То же самое можно наблюдать и при других типах запахов, таких как духи, цветы и т. д. Человеческий мозг может различать запахи, которые незнакомы человеку, приспосабливаясь к тем, к которым он привык, и больше не требует осознания. Обонятельные нейроны используют систему обратной связи от уровней ионов Ca2+ для активации адаптации к длительным запахам. Из-за того, что для передачи обонятельного сигнала используется вторая система передачи мессенджера, механизм адаптации включает в себя несколько факторов, которые в основном включают CaMK или кальмодулин, связанный с ионами Ca2 +.
Соматосенсорные
Это явление также относится к осязанию. Незнакомая одежда, которую только что надели, сразу же замечается, однако, когда она на некоторое время наделась, ум приспосабливается к ее текстуре и игнорирует стимул.
Боль
В то время как крупные механическо-сенсорные нейроны, такие как тип I/группа Aβ, демонстрируют адаптацию, меньшие ноцицептивные нейроны типа IV/группы C - нет. В результате боль обычно не быстро проходит, а сохраняется в течение длительного периода времени; в отличие от этого, другая сенсорная информация быстро адаптируется, если окружение остается неизменным.
Тренировки с силой
Исследования показали, что происходит нейронная адаптация после всего лишь одного сеанса силовых тренировок. У пациентов увеличивается сила без увеличения мышечной массы. Записи мышечной поверхности с использованием электромиографических (SEMG) методов показали, что ранние усилия в течение тренировки связаны с увеличением амплитуды в SEMG-активности. Эти результаты, наряду с различными другими теориями, объясняют увеличение силы без увеличения мышечной массы. Другие теории увеличения силы, связанные с нейронной адаптацией, включают: агонист-антагонист снижение коактивации мышц, синхронизацию двигательных единиц и повышение скорости запуска двигательных единиц. Нейронные адаптации способствуют изменениям в V-волнах и рефлексе Хоффмана. H-рефлекс может использоваться для оценки возбудимости спинальных α-мотонейронов, тогда как V-волны измеряют величину двигательного выхода от α-мотонейронов. Исследования показали, что после 14-недельного режима тренировок с использованием силовых сил у испытуемых амплитуда V-волн увеличилась на ~50% и амплитуда H-рефлексов увеличилась на ~20%. Это показало, что нейронная адаптация обусловливает изменения функциональных свойств спинномозговой системы у человека без влияния на организацию моторной коры.
Привыкание против адаптации
Термины нейронная адаптация и привыкание часто путают друг с другом. Привыкание - это поведенческий феномен, в то время как нейронная адаптация - это физиологический феномен, хотя они не полностью отделены. Во время привыкания человек имеет некоторое сознательное управление тем, замечает ли он что-то, к чему привыкает. Однако, когда дело доходит до нейронной адаптации, человек не имеет сознательного контроля над ней. Например, если человек привык к чему-то (например, запаху или духу), он не может сознательно заставить себя чувствовать запах этой вещи. Нейронная адаптация очень тесно связана с интенсивностью стимула; по мере увеличения интенсивности света, чувства человека будут более сильно адаптироваться к нему. Для сравнения, привыкание может варьироваться в зависимости от стимула. При слабом стимуле привыкание может произойти почти сразу, но при сильном стимуле животное может вообще не привыкать, например, прохладный ветер против пожарной сигнализации. Привыкание также имеет ряд характеристик, которые должны быть выполнены, чтобы быть названы процессом привыкания.
Краткосрочные адаптации
Краткосрочные нейронные адаптации происходят в организме во время ритмической деятельности. Одной из самых распространенных видов деятельности, когда эти нейронные адаптации происходят постоянно, является ходьба. Когда человек ходит, его тело постоянно собирает информацию об окружающей среде и о том, что происходит вокруг ног, и слегка корректирует мышцы, используемые в соответствии с местностью. Например, ходить в гору требует других мышц, чем ходить по ровной тротуару. Когда мозг осознает, что тело идет вверх по ходу, он производит нейронные адаптации, которые направляют больше активности мышцам, необходимым для ходьбы вверх. Скорость нейронной адаптации зависит от области мозга и от сходства размеров и форм предыдущих стимулов. Адаптации в нижней височной мие сильно зависят от предыдущих стимулов, имеющих аналогичный размер, и несколько зависят от предыдущих стимулов, имеющих аналогичную форму. Адаптация в префронтальной коре менее зависит от предыдущих стимулов, имеющих аналогичный размер и форму.
Долгосрочные адаптации
Некоторые ритмические движения, такие как дыхательные движения, необходимы для выживания. Поскольку эти движения должны использоваться в течение всей жизни, важно, чтобы они работали оптимально. Наблюдается нейронная адаптация в этих движениях в ответ на обучение или изменение внешних условий. Когда зрение испытуемых подвергалось постоянному стимулу одного цвета, возникали нейронные адаптации, которые привыкли к цвету. После того, как эта адаптация произошла, TMS был использован, чтобы снова нарушить зрительную кору субъектов, и вспышки света, которые рассматривался субъектом, были того же цвета, что и постоянный стимул до нарушения.
Вызываемые наркотиками
Нейронная адаптация может происходить и не только естественным путем. Антидепрессанты, такие как те, которые вызывают снижение регуляции бета-адренергических рецепторов, могут вызвать быструю нейронную адаптацию в мозге. Благодаря быстрому адаптации в регуляции этих рецепторов лекарства могут уменьшить воздействие стресса на тех, кто принимает лекарство.
После травмы
Нейронная адаптация часто имеет решающее значение для выживания животного после травмы. В краткосрочной перспективе он может изменить движения животного, чтобы предотвратить ухудшение травмы. В долгосрочной перспективе это может позволить животному полностью или частично восстановиться после травмы.
Повреждение мозга
Исследования детей с ранними детскими травмами мозга показали, что после травмы нейронные адаптации происходят медленно. Дети с ранними травмами в области лингвистики, пространственного познания и аффективного развития мозга показали дефицит в этих областях по сравнению с теми, кто не имел травмы. Однако, благодаря нейронным адаптациям, в раннем школьном возрасте наблюдалось значительное развитие этих областей.
Травма ноги
После ампутации передней ноги плодовой мухи (Drosophila melanogaster) сразу же меняется положение тела и движение, что позволяет ей продолжать ходить. Фруктовые мухи также проявляют более длительные адаптации. Исследователи обнаружили, что сразу после ампутации задней ноги мухи предпочитают отворачиваться от места травмы, но через несколько дней эта тенденция исчезает, и мухи поворачиваются влево и вправо равномерно, как и до травмы. Эти исследователи сравнили мух с функционирующим и с нарушенным проприоцепцией - ощущением тела, где оно находится в пространстве, - и обнаружили, что без проприоцепции мухи не демонстрировали такого же восстановления после поворота после травмы. Этот результат указывает на то, что проприоцептивная информация необходима для некоторых нейронных адаптаций, которые происходят у дрозофилы после травмы ноги.