Synaptické spojenia v mozgu: ako neuróny prenášajú informácie, učia sa a vytvárajú nervové siete

Synaptické spojenie je špecializovaný funkčný kontakt medzi membránami dvoch buniek, z ktorých aspoň jedna je neurón. Jeho hlavnou funkciou je prenos nervového vzruchu, teda informácie potrebnej na spracovanie senzorických podnetov, reguláciu životných funkcií, pohyb, učenie, pamäť, emócie a správanie.

Ľudský mozog tvorí komplikovaná sieť približne 86 miliárd navzájom prepojených neurónov a spojenia medzi neurónmi voláme synapsie. Každý neurón prijíma informácie od iných neurónov cez približne 7 000 takýchto synapsií, informácie spracuje a výsledok pošle ďalej iným neurónom. Prepojené neuróny vytvárajú neurónové siete.

Čo je synapsia

Synapsia je biologický spoj, respektíve prepínač medzi dvomi mozgovými bunkami alebo medzi neurónom a inou bunkou. Cez synaptické spojenie sa prenášajú informácie medzi neurónmi. Synapsia môže byť umiestnená medzi axónom a dendritom, axónom a telom bunky, dendritmi navzájom alebo axónmi navzájom.

Podľa zúčastnených prvkov rozlišujeme interneuronálne synapsie, neuroefektorové synapsie, napríklad nervovosvalovú platničku, a neuroreceptorové synapsie medzi neurónom a receptorom. Interneuronálne synapsie môžu byť axo-dendritické, axo-somatické, dendro-dendritické, axo-axonálne alebo somato-dendritické.

Základné časti synaptického spojenia

• Presynaptický útvar je časť vysielajúcej bunky, najčastejšie zakončenie axónu.
• Synaptické vezikuly sú vačky obsahujúce neurotransmitery.
• Aktívna zóna je oblasť presynaptickej membrány, v ktorej sa vezikuly pripravujú na uvoľnenie mediátora.
• Synaptická štrbina je priestor medzi presynaptickým a postsynaptickým útvarom.
• Postsynaptický útvar je časť prijímajúcej bunky s receptormi pre neurotransmiter.

Synapsiu tvorí presynaptický útvar a postsynaptický útvar, medzi nimiž je synaptická štrbina. Synaptická štrbina má obvykle šírku 20 až 30 nm, pričom pri inhibičných synapsiách má približne 10 nm.

Neurón ako základ synaptickej komunikácie

Neurón je základnou stavebnou a funkčnou jednotkou nervovej sústavy. Skladá sa z tela nervovej bunky a výbežkov. Telo neurónu obsahuje bunkové jadro a z jeho povrchu sa rozvetvujú početné dendrity.

Dendrity privádzajú do neurónu informácie vo forme elektrických signálov. Axón je spravidla jeden a vedie vzruchy z neurónu na perifériu. Axónom sa nervový vzruch šíri až do synaptických zakončení neurónu, kde sa informácia prenáša na ďalšiu bunku.

Niektoré axóny majú myelínovú vrstvu, ktorá výrazne urýchľuje prenos vzruchu. Každý neurón môže mať až 10 000 dendritov, ale iba jeden axón. Axóny môžu byť veľmi dlhé, napríklad najdlhší axón žirafy môže merať až 4,5 metra.

Elektrická a chemická podoba nervového signálu

Správy v nervovom systéme si môžeme predstaviť ako elektrické výboje, impulzy a vzruchy, ale aj ako chemikálie. Elektrické impulzy môžu byť kladné alebo záporné a prebiehajú medzi neurónmi.

Neurón impulzy zosumarizuje, a keď ich súčet prekročí určitú hranicu, pošle cez axón signál ďalším neurónom. Na začiatku axónu prebieha sumácia, teda sčítanie informácií, ktoré prišli z rôznych dendritov.

Ak sčítanie prekročí prah významnosti, axón spustí akčný potenciál a začne ho šíriť. Akčný potenciál doputuje až do zakončení neurónu a vyvolá synapsiu, chemický dej, ktorým sa signál prenesie z jedného neurónu na druhý.

Typy synapsií podľa spôsobu prenosu

Podľa druhu prenosu signálu rozlišujeme synapsie chemické, elektrické a zmiešané. Synapsie u človeka sú najčastejšie chemické synapsie, na ktorých sa signál prenáša prostredníctvom mediátora, teda neurotransmitera.

Elektrické synapsie sú skôr vzácne a vyskytujú sa napríklad v olivárnych jadrách. Zmiešané synapsie nachádzame u nižších živočíchov, ako sú ryby.

Elektrické synapsie

Elektrická synapsia umožňuje priamy tok elektrického prúdu, a preto ide o veľmi rýchly typ spojenia. Tvorí ju spojenie typu gap junction, ktoré pozostáva z konexónov zložených zo šiestich proteínov nazývaných konexíny.

Prúdenie cez otvorené spojenie je väčšinou obojsmerné, pri usmernených synapsiách však prebieha napäťová regulácia a vedenie je iba jednosmerné. Tento typ synapsie je zvyčajne excitačný.

Vzruch sa na postsynaptickú membránu prenesie iba s miernym zmenšením amplitúdy, pretože bunky sú prepojené úzkymi konexónmi. Tie umožňujú prúdenie iónov bez toho, aby sa otvárali iónové kanály.

Chemické synapsie

Chemické synapsie sú pomalším typom spojenia, pretože pri uvoľňovaní mediátorov vzniká oneskorenie najmenej 0,5 ms. Zvyčajne sú jednosmerné a podľa typu uvoľňovaného mediátora môžu byť excitačné alebo inhibičné.

Presynaptická časť je vakovité rozšírenie axónu, ktoré obsahuje synaptické vezikuly a veľké množstvo mitochondrií. Mitochondrie produkujú ATP potrebné pri uvoľňovaní neurotransmitera.

Synaptické vezikuly obsahujú molekuly mediátora a hromadia sa pri synaptickej štrbine v aktívnej zóne synapsie. Membrána postsynaptického útvaru obsahuje receptory pre daný mediátor.

Ako prebieha prenos vzruchu cez chemickú synapsiu

1. Vzruch sa šíri po axóne a dosiahne presynaptické zakončenie.
2. Presynaptická membrána sa depolarizuje.
3. Otvoria sa napäťovo riadené vápnikové kanály.
4. Vápnikové ióny vstúpia do bunky.
5. Synaptické vezikuly sa presunú k aktívnej zóne.
6. Vezikuly splynú s membránou neurónu.
7. Neurotransmiter sa exocytózou uvoľní do synaptickej štrbiny.
8. Mediátor sa naviaže na receptory postsynaptickej membrány.
9. Otvorenie iónových kanálov vyvolá postsynaptický potenciál.

Depolarizácia spôsobí otvorenie napäťovo riadených Ca2+ kanálov v presynaptickej membráne a influx Ca2+ do bunky. Vápenaté ióny uvoľnia väzbu medzi proteínmi cytoskeletu bunky a synaptickými vačkami.

Vezikuly sa pomocou transportných proteínov vo svojej membráne, najmä synaptobrevínu a synaptotagmínu, presúvajú do aktívnej zóny. V aktívnej zóne dochádza k splynutiu transportných proteínov s proteínmi na membráne neurónu, čím vzniká SNARE komplex.

Obsah vezikúl sa exocytózou uvoľní do synaptickej štrbiny a mediátor sa uvoľňuje v kvantoch. Po väzbe mediátora na receptor postsynaptickej membrány sa otvárajú iónové kanály a vznikajú postsynaptické potenciály.

Neurotransmitery a receptory

Neurotransmitery sú chemické látky, ktoré roznášajú informácie po nervovom systéme a pôsobia na psychiku človeka. Medzi najznámejšie neurotransmitery patrí dopamín, serotonín a noradrenalín.

Neurotransmitery sú kľúčové pre správne fungovanie mozgu a ich nerovnováha často sprevádza psychické poruchy. Na konci jedného neurónu sa nachádzajú váčky plné neurotransmiterov a na začiatku druhého neurónu sú receptory.

Neurotransmitery možno prirovnať ku kľúčom, ktoré sa snažia zapadnúť do zámku, teda receptora. Ak neurotransmiter zapadne do svojho receptora, príslušný signál sa môže šíriť ďalej.

Iónové a metabotropné receptory

Iónové kanály v postsynaptickej membráne, ktoré sa otvoria po väzbe mediátora na receptor, patria medzi chemicky riadené iónové kanály. Pri tomto type prenosu je receptor bezprostrednou súčasťou molekuly kanála.

Iný spôsob prenosu spočíva v spojení receptora s G-proteínmi. Aktivuje sa signalizačná kaskáda cez adenylátcyklázu, druhého posla cAMP a proteínkinázu, ktorá fosforyláciou umožní otvorenie iónového kanála.

Odstránenie neurotransmitera

Po interakcii mediátora s receptorom musí byť mediátor zo synaptickej štrbiny odstránený. Najčastejšie sa to deje priamym rozkladom alebo spätným vychytávaním.

Pri priamom rozklade sa v synaptickej štrbine nachádzajú enzýmy, ktoré mediátor rozkladajú, napríklad acetylcholínesteráza. Pri spätnom vychytávaní sa mediátor vracia do presynaptického zakončenia a späť do synaptických vezikúl na opätovné použitie.

Excitačné a inhibičné postsynaptické potenciály

Postsynaptické potenciály závisia od druhu mediátora a synapsie. V organizme vznikajú dva hlavné typy potenciálov: excitačný postsynaptický potenciál a inhibičný postsynaptický potenciál.

Excitačný postsynaptický potenciál

Excitačný postsynaptický potenciál, EPSP, je spôsobený excitačnými mediátormi. V postsynaptickej membráne sa otvárajú Na+ alebo Ca2+ kanály a ióny vstupujú do bunky, čo spôsobí depolarizáciu.

Jeden EPSP predstavuje depolarizačnú zmenu, ktorá je hlboko podprahová a dosahuje približne 2 až 4 mV. EPSP sa však môžu sčítavať časovou a priestorovou sumáciou, až kým sa nedosiahne prahová úroveň 7,5 až 15 mV.

Po dosiahnutí prahovej úrovne vzniká v eferentnej časti synapsie akčný potenciál. Neurón tak môže odovzdať informáciu ďalším bunkám.

Inhibičný postsynaptický potenciál

Inhibičný postsynaptický potenciál, IPSP, je spôsobený inhibičnými mediátormi. Otvárajú sa K+ a Cl- kanály, kladné ióny prúdia z bunky a záporné ióny do bunky.

Membrána sa pohybmi iónov hyperpolarizuje a znižuje sa dráždivosť neurónu. Hodnota IPSP sa pohybuje približne v rozmedzí 2 až 5 mV.

Kombináciou EPSP a IPSP na rovnakej membráne dochádza k súčtu signálov. Ak inhibičný signál dostatočne zníži excitačný signál, akčný potenciál nevznikne.

Pomalé postsynaptické potenciály

Pomalé postsynaptické potenciály spočívajú iba v regulácii K+ kanálov. Pri zvýšení priepustnosti kanálov vzniká IPSP, pri znížení priepustnosti vzniká EPSP.

Tieto potenciály majú dlhú latenciu, približne 100 až 500 ms, a trvanie od niekoľkých sekúnd po niekoľko minút.

Sumácia a regulácia synaptického prenosu

Presynaptická facilitácia a sumácia vzniká najmä vtedy, keď dva neuróny konvergujú na jeden neurón. Podprahové podnety potom môžu vyvolať EPSP a následná sumácia týchto signálov vyvolá akčný potenciál.

Nadprahové podnety zvyčajne vyvolajú predĺžený akčný potenciál. Oklúzia je osobitný typ sumácie, pri ktorom dva nadprahové podnety vyvolajú bežný akčný potenciál.

Presynaptická inhibícia

Presynaptická inhibícia môže prebiehať dvomi spôsobmi. Pri axo-axonálnej inhibícii pôsobí axón inhibičného neurónu na presynaptický neurón.

Autoinhibícia spočíva vo väzbe mediátora na receptory vlastnej presynaptickej membrány, z ktorej sa mediátor uvoľňuje. Dochádza k útlmu ďalšieho uvoľňovania neurotransmitera, čo zabraňuje nadmernej stimulácii postsynaptickej membrány.

Postsynaptická inhibícia

Postsynaptická inhibícia je možná pomocou inhibičného neurónu, ktorý pôsobí na postsynaptický neurón. Aferentná kolaterálna inhibícia vzniká vtedy, keď kolaterála z presynaptického neurónu aktivuje inhibičný interneurón, ktorý inhibuje postsynaptický neurón.

Eferentné kolaterálne spoje vedú z postsynaptického neurónu cez inhibičný interneurón späť na postsynaptický neurón. Takéto okruhy umožňujú presne regulovať intenzitu prenášaného signálu.

Synapsie v reflexnom oblúku

Reflex je automatická, fyziologická odpoveď organizmu na podráždenie a prebieha po dráhe nazývanej reflexný oblúk. Reflexný oblúk pozostáva z receptora, dostredivej dráhy, reflexného centra, odstredivého vedenia a efektora.

1. Receptor zaznamená podnet.
2. Dostredivá, aferentná dráha vedie informáciu do centrálnej nervovej sústavy.
3. Reflexné centrum sa nachádza v sivej hmote miechy alebo mozgu.
4. Odstredivá, eferentná dráha vedie príkaz k výkonnému orgánu.
5. Efektor vykoná odpoveď, napríklad sval alebo žľaza.

Monosynaptické reflexy sú najjednoduchšie, pretože dostredivý neurón sa priamo, iba cez jednu synapsiu, spája s motorickým neurónom. Príkladom je patelárny reflex, teda trhnutie nohou po údere kladivka pod jabĺčko.

Polysynaptické reflexy obsahujú medzi senzitívnym a motorickým neurónom jeden alebo viac interneurónov. Slúžia na zložitejšie, často obranné reakcie, napríklad na odtiahnutie ruky od horúceho predmetu.

Synapsie v nervovej sústave

Nervová sústava má schopnosť prijímať informácie o zmenách vonkajšieho a vnútorného prostredia, tieto informácie triediť a spracúvať a vytvárať výstupné signály, ktoré privádza k výkonným orgánom.

Nervový systém sa skladá z centrálnej nervovej sústavy, ktorú tvoria mozog a miecha, a z periférnej nervovej sústavy, ktorú tvoria nervy prinášajúce informácie z celého tela a ovládajúce svaly.

Z hľadiska funkčného a anatomického rozdeľujeme nervovú sústavu na centrálnu nervovú sústavu a periférnu nervovú sústavu. Z hľadiska riadenia ju delíme na mozgomiechový systém, ktorý ovládame vôľou, a autonómny nervový systém, ktorý pracuje nezávisle od našej vôle a riadi činnosť vnútorných orgánov.

Neuróny, gliové bunky a synaptické prostredie

V centrálnom nervovom systéme sa okrem neurónov nachádza niekoľkonásobne väčšie množstvo podporných buniek, teda neuroglie. Ich úlohou je neuróny izolovať, odstraňovať patogény a pomáhať ich vyživovať.

Astrocyty sprostredkúvajú transport látok z krvi do neurónov, vytvárajú dôležitú hematoencefalickú bariéru a po mechanickom poškodení tkaniva vytvárajú zátku, ktorá miesto zacelí.

Oligodendrocyty vytvárajú myelínovú pošvu axónov, mikrogliové bunky majú schopnosť fagocytózy a ependýmové bunky vystielajú mozgové komory.

Vysoko špecializované neuróny až na vzácne výnimky strácajú schopnosť mitotického delenia a po odumretí sa nedokážu obnoviť. Gliové bunky si schopnosť delenia zachovávajú po celý život.

Synaptická plasticita a učenie

Množstvo neurónov, synapsií a dráh v našom mozgu je takmer nepredstaviteľné. Ak niektoré spojenie používame veľmi často, vybuduje sa silná nervová dráha a stane sa pre nás takmer automatickou.

Naopak spojenia, ktoré používame málo, časom slabnú a rozpadajú sa. Preto si dobre pamätáme znalosti a činnosti, ktoré využívame často, zatiaľ čo naučiť sa niečo nové, teda vybudovať nový okruh, trvá určitý čas.

Vznik synapsií medzi neurónmi predstavuje náhodný proces. O prežití konkrétneho spojenia však nerozhoduje náhoda, ale miera jeho využívania.

Dlhodobá potenciácia a dlhodobé oslabenie

Ak sa spojenie ukáže ako efektívne, napríklad pri lepšej koordinácii pohybu alebo zapamätaní si určitej informácie, nervový systém ho fixuje v procese nazývanom dlhodobá potenciácia.

Ak nervové spojenie nie je využívané alebo ho dlhodobo prestaneme používať, spojenie v mozgu slabne a zaniká v procese dlhodobého oslabenia synapsií. Jednoduchšie povedané, zabudneme.

Tieto dynamické deje sa označujú aj ako neuroplasticita. Zhustením alebo znížením počtu synapsií môžu spôsobiť zväčšenie alebo zmenšenie určitých častí mozgu.

Synaptické prerezávanie v detskom mozgu

Mozog dieťaťa je v prvých rokoch života pružný a tvárny. Každý dotyk, pohľad, slovo a pohyb sa zapisuje do jeho nervovej siete a neuróny medzi sebou vytvárajú milióny spojení denne.

Mozog dieťaťa si spočiatku vytvára obrovské množstvo synaptických spojení, akoby si nechával otvorené všetky dvere, ktoré by raz mohol potrebovať. S pribúdajúcim vekom začne tieto spoje triediť.

Spojenia, ktoré sa často využívajú, mozog posilní. Spojenia, ktoré sa nepoužívajú, odstráni. Tento proces sa nazýva synaptické prerezávanie a možno ho prirovnať k prerezávaniu stromu.

Kedy prebieha synaptické prerezávanie

Najintenzívnejšie obdobia synaptického prerezávania nastávajú v 3. a 6. roku života a opäť v období puberty. Tieto obdobia predstavujú výrazné fázy prestavby nervových sietí.

Vtedy môže dieťa pôsobiť inak, môže byť citlivejšie, menej sústredené a môže sa meniť jeho správanie alebo emočná stabilita. Neznamená to, že niečo nie je v poriadku, ale že mozog sa práve prestavuje.

Najdôležitejšie obdobie je práve medzi 3. a 6. rokom, keď prerezávanie prebieha s takou intenzitou, že sa už nikdy v živote nezopakuje naraz v rovnakej miere.

Úloha mikroglií a prostredia

Z pohľadu neurovied ide o proces, pri ktorom špecializované gliové bunky, najmä mikrogliové bunky, identifikujú a odstránia neaktívne synapsie.

Tento biologický mechanizmus je riadený geneticky, ale výrazne ho ovplyvňujú prostredie, emocionálna stabilita, výživa, kvalita spánku a stimulácia.

Mozog sa tak postupne upravuje, aby bol efektívnejší, rýchlejší a schopnejší adaptácie. To, čo sa opakovane používa pri hre, komunikácii, učení, pohybe a vzťahoch, zostáva a upevňuje sa.

To, čo je zanedbané alebo dlhodobo nepoužívané, sa zahodí. Každodenné skúsenosti dieťaťa majú preto v tomto období významný vplyv na podobu nervových sietí.

Vplyv bezpečia, hry a stimulácie

Hádky, stres, digitálne preťaženie alebo emočná nedostupnosť rodiča môžu viesť k vytváraniu nefunkčných alebo obranných nervových vzorcov.

Ak má dieťa láskavý kontakt, pocit bezpečia, čas na voľnú hru a prítomnosť dospelého, ktorému dôveruje, vytvára si zdravé, odolné a zmysluplné spojenia, na ktorých bude stavať celý život.

• Buďme emočne prítomní, pretože dieťa nepotrebuje dokonalosť, ale bezpečný vzťah.
• Doprajme mu skutočný svet, menej obrazoviek, viac prírody, dotyku a pohybu.
• Rešpektujme vývinové fázy a nesnažme sa urýchliť jeho rast.
• Podporujme zvedavosť a hru, pretože hranie je pre detský mozog prirodzeným spôsobom učenia.

Astrocyty ako tretí prvok synapsie

Synaptické spojenie nepredstavuje iba dvojicu neurónov. Obsahuje aj tretieho člena, ktorým je výbežok astrocytu.

Astrocyty patria do skupiny gliových buniek, ktoré boli dlho považované iba za akési lepidlo nervového systému. Dnes sa ukazuje, že zohrávajú významnú úlohu pri formovaní a udržiavaní synapsií.

Astrocytový výbežok obaľujúci synaptické spojenie ho vyživuje a zároveň reguluje jeho aktivitu. Keď sa synapsia medzi dvoma neurónmi aktivuje, vyvolá zároveň aktivitu astrocytovej bunky.

Astrocyt dokáže regulovať intenzitu prenášaného signálu vypustením špecifických neuroaktívnych látok a molekúl ATP. Tým môže inhibovať alebo zvyšovať aktivitu na presynaptických a postsynaptických membránach.

Astrocyty zároveň reagujú na aktivitu neurónov zvýšením vlastnej vnútrobunkovej koncentrácie vápnikových iónov Ca2+. V experimentálnych podmienkach môže umelo vyvolaná vápniková aktivita astrocytov spustiť rovnaký mechanizmus aj v okolitých gliových bunkách.

Informácia o aktivite synaptického spojenia sa tak môže šíriť ako vápniková vlna. Tá môže koordinovať ďalšiu synaptickú aktivitu aj vo vzdialených oblastiach mozgu.

Synaptické spojenia a inteligencia

Veľkosť mozgu sama osebe nepredstavuje kritický faktor určujúci inteligenciu druhu. Ľudský mozog je niekoľkonásobne menší ako mozog veľrýb, no veľryby nepredstavujú inteligenčne dominantný druh.

Najnovšie štúdie kognitívnych schopností primátov poukazujú na to, že ani medzi príbuznými druhmi nemusí veľkosť mozgu zodpovedať inteligenčnej úrovni. V niektorých testoch si lemury viedli rovnako alebo lepšie ako šimpanzy.

Jedna z možných odpovedí sa skrýva v synapsiách, teda vo funkčných spojeniach neurónov. Táto malá a kompaktná štruktúra zabezpečuje výmenu informácií medzi bunkami a podieľa sa na spracovaní senzorických informácií, regulácii životných funkcií a pohybe.

Predpokladá sa, že počet, usporiadanie, aktivita a plasticita synaptických spojení do veľkej miery súvisia s kognitívnymi schopnosťami. Samotné pochopenie aktivity neurónov, gliových buniek a ich spojení však bez ďalšieho kontextu nedokáže úplne vysvetliť neurobiologický pôvod inteligencie.

Synaptické spojenia v mozgu a neurónové siete

Neurónové siete vznikajú prepojením veľkého množstva neurónov prostredníctvom synapsií. Ak niektorú sieť dlhodobo nepoužívame, začne sa strácať a na jej mieste sa vytvorí nová alebo sa rozšíria okolité prepojenia.

Mozog spracúva informácie na mnohých miestach súčasne a znalosti má roztrúsené v synaptických sieťach. Bežný počítač má údaje uložené v pamäti, dáta spracúva na mnohých miestach prostredníctvom centrálne koordinovaného procesora a musí byť naprogramovaný.

Umelé synapsie a neuromorfné počítače

Inovatívny supravodivý prepínač sa dokáže učiť podobne ako živý organizmus. Mohol by poslúžiť na prepájanie procesorov a ukladanie informácií v budúcich pokročilých počítačoch, ktoré majú fungovať podobne ako procesy v ľudskom mozgu.

Unikátny prepínač, ktorý vyvinuli, nazvali synapsia, teda názvom biologického spoja medzi neurónmi, respektíve neurónmi a inými mozgovými bunkami. Predstavuje doteraz chýbajúci článok pre neuromorfné počítače, nový typ umelej inteligencie.

Neuromorfné počítače sa plánujú pre aplikácie náročné na senzorické vnímanie komplexných informácií z prostredia, ich analýzu a následné rozhodovanie. Patria sem napríklad autonómne vozidlá a diagnostika a liečba vážnych ochorení.

Porovnanie biologickej a umelej synapsie

Biologická synapsia je spoj, respektíve prepínač medzi dvomi mozgovými bunkami. Umelá synapsia z NIST je kovový valček hrubý 10 mikrónov.

Tak ako mozgová synapsia, aj umelá spracúva vstupné elektrické impulzy a upravuje ich na výstupné. Využíva pružnú vnútornú štruktúru, ktorá sa prispôsobuje skúsenosti alebo prostrediu.

Čím viac impulzov prejde medzi bunkami alebo procesormi, tým silnejšie je ich spojenie. Biologická i umelá synapsia si tak udržiavajú staré obvody a vytvárajú nové.

Rýchlosť a energetická účinnosť

Umelá synapsia je oveľa rýchlejšia ako biologická. Impulzy vytvára miliardkrát za sekundu, kým biologická synapsia približne 50-krát za sekundu.

Umelá synapsia si vystačí s jednou desaťtisícinou energie spotrebovanej ľudskou synapsiou. Jej impulzná energia je necelý 1 attojoule, pričom atto znamená 10 na -18.

Táto energia je menšia ako energia pozadia pri izbovej teplote a približne na úrovni chemickej väzbovej energie dvoch atómov v molekule.

Josephsonov prechod

Synapsia z NIST je takzvaný Josephsonov prechod, respektíve spoj. Ide o dva supravodiče oddelené vrstvou izolantu.

Keď elektrický prúd v prechode presiahne kritickú hodnotu, vzniknú napäťové impulzy. Prechod využíva štandardné elektródy z nióbu.

Izolant medzi elektródami obsahuje zhluky mangánu ponorené do kremíkovej matrice v nanometrovom meradle. Na jednom mikrometri štvorcovom ich je približne 20-tisíc.

Nanozhluky fungujú ako drobné tyčové magnety, ktorých spiny môžu byť orientované náhodne alebo koordinovane. Počet nanozhlukov orientovaných rovnakým smerom ovplyvňuje supravodivé vlastnosti prechodu.

Kritický prúd je najmenší vtedy, keď sú nanozhluky zoradené. Keď je to potrebné, možno ich rozradiť zvýšením kritického prúdu. Tento princíp sa podobá posilňovaniu a oslabovaniu spojení v mozgu.

Neuromorfné počítače

Neuromorfné počítače obsahujú supravodivé súčiastky, ktoré prenášajú elektrinu bez odporu. Sú preto omnoho efektívnejšie ako počítače na báze polovodičov.

Dáta sa v nich budú prenášať, spracúvať a ukladať v jednotkách magnetického toku. Zariadenia tohto typu už boli vyvinuté, ale doteraz nemali efektívne synapsie.

Správanie umelých synapsií možno upraviť spôsobom výroby zariadenia a prevádzkovou teplotou. Impulzná energia potrebná na zvýšenie alebo zníženie magnetickej usporiadanosti závisí od veľkosti nanozhlukov.

Zvýšenie teploty zvyšuje počet a výšku impulzov. Najpodstatnejšie je, že umelé synapsie z NIST možno skladať v troch rozmeroch do veľkých systémov určených na výpočtové účely.

V NIST už vytvorili model obvodu na simuláciu prevádzkového správania takéhoto systému. Očakáva sa, že tento prístup povedie k vývoju zložitejších neuromorfných systémov než doterajšie riešenia založené na odlišných technológiách.

Prečo sú synaptické spojenia dôležité

Synaptické spojenia umožňujú, aby neuróny nefungovali oddelene, ale vytvárali rozsiahle a dynamické nervové siete. Tieto siete prijímajú informácie zo zmyslových orgánov, spracúvajú ich, ukladajú skúsenosti a vytvárajú výstupné signály.

Senzitívne neuróny privádzajú informácie zo zmyslových orgánov do mozgu, kde sa pomocou interneurónov prepájajú na motorické neuróny. Vďaka motorickým neurónom sa informácia dostane až do svalu a umožní vykonať pohyb.

Synaptické siete tak spájajú vnem s reakciou. Vôňa koláča môže po spracovaní v mozgu viesť k aktivácii motorických neurónov, ktoré vyšlú svalom ruky informáciu na otvorenie rúry a ochutnanie koláča.

Obrovská flexibilita mozgu umožňuje učiť sa a vytvárať nové synapsie po celý život. Ak sa poškodí jedna časť mozgu, mozog sa môže čiastočne prebudovať a vytvoriť nové dráhy v inej časti.

Bohatosť a rozvetvenosť mozgových sietí preto do veľkej miery závisí od toho, ako mozog používame a stimulujeme. Synaptická plasticita umožňuje prispôsobovanie, učenie, vytváranie spomienok aj osvojovanie nových pohybových vzorcov.

tags: #synapticke #spojenia #v #mozgu