350 rub
Journal Biomedical Radioelectronics №8 for 2012 г.
Article in number:
Features of electro-chemical vortex propagation of spikes in axonal system of neurons
Authors:
A.V. Savelyev
Abstract:
The article presents original results of neural simulation of axon spikes volume propagation in myelinated axons. Shows a much more complex than assumed at the present time, the nature of this propagation. A significant impact features associated it with the volume propagation, namely, the vortex nature of the ionic currents and electromagnetic fields propagating spikes is substantiated. It is shown that a significant asymmetry in cross-section of real biological axons, which differs from a circle, promotes mutual compensation of unbalanced vectors of incoming sodium currents. At the same time as a result of algebraic summation appearing vortex component of sodium current, is twisted in one direction or another, depending on the ratio and direction of the incoming currents. At the same time, the accumulation of positively charged Na+ ions for the leading front of spike creates excess concentration of positive ions, since the output into the extracellular space of K+ ions occurs with some delay after the entry of Na+ ions at the leading front of spike. This creates a positively charged region of the membrane, immediately following for the spike, resulting in, as well as centripetal incoming sodium current, is formed their cumulative axial component also. The presence of a helical twist of neurofilament yarns also confirms this fact known, respectively, V. Schauberger's experience with placing filaments into a tube with a spiral flow of a liquid, which consequently turned in a three-dimensional spiral also. He made an experiment showed the association of such filaments (if they housed more than one) in the group with a spiral flow, which is well observed on the axons as they mature in ontogenesis. In accordance with a complex three-dimensional structure shown spike, it can be represented as the total construction consisting of elementary discrete components. The conditions of the ion currents generation are not homogeneous in volume of the axon due to the heterogeneity of intracytoplasmic propagation medium, especially given the numerous inclusions in axoplasm that adequately is reflected in the propagation of surface potential. However, ephaptical (through electromagnetic field) interactions are almost an immanent part of neurons interactions, especially in closely spaced parallel axons of the nerve bundle. In this regard the features of the processes of generation and retraction of the myelin is considered. It is as-sumed that the spiral nature of the space of spike discharges due to helical twisting of the myelin shells around axons is explained. In this case, the electrical activity of axons can be stimulating for oligodendrocytes, which form these shells, otherwise inexplicable is such a numerous number of turns of myelin, is clearly excessive for the electrical insulation of nerve fibers. It was also noted that the primary degradation axon, and, consequently, any function of the spikes propagation, there is a secondary degeneration of myelin, as well as transection of the axon. This changes order is the fastest and most pro-nounced, which may also serve as indirect confirmation of the connection of electrical activity from the axon development and maintenance of the integrity of the myelin shell. Also confirms the fact that increased migration and reproduction of glia at high stimulation of neurons and their high-frequency discharges, for example, during and after excessive motor load of motor neurons of spinal cord and increased afferent stimulation of the cerebellum. It is assumed the most important role of current and potential of vortices in the of a dynamic formation and ongoing maintenance in an appropriate form of the mye-lin shell of axons in connection with which a myelin shell may be the substrate for long-term memory traces at the neuronal level, which may have, including the importance for understanding the mechanisms of development of the pathologies such as Parkinson's and Alzheimer's disease. In this regard may and need to create new lines of research of a nervous system, designated by us as neurorotonics - neuroscience section of vortex processes in the nervous system.
Pages: 46-55
References
  1. Антомонов Ю.Г., Котова А.Б. Введение в структурно-функциональную теорию нервной клетки. Киев: Наукова думка, 1976, http://www.pk.mcdir.ru/lib1/info/3203.html, 2009.
  2. McFadden J. Synchronous firing and its influence on the brain-s electromagnetic field // J. of Consciousness Studies. 2002. V. 9. № 4. P. 23 - 50.
  3. Савельев А.В. Нейрокомпьютеры в изобретениях // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2004.  № 2 - 3. C. 33 - 49.
  4. Савельев А.В. Обзор изобретений в области нейрокибернетики и нейромоделирования // Радиоэлектроника. Информатика. Управление. 2007. № 2(18). С. 101 - 111.
  5. А. с. № 1642485. Устройство для моделирования нейрона / А.Г. Жуков, А.А. Колесников, Н.А. Савельева-Новосёлова, А.В. Савельев.
  6. А. с. № 1425731. Устройство для моделирования нейрона / А.А. Колесников, А.Г. Жуков, Н.А. Савельева-Новосёлова, А.В. Савельев.
  7. А. с. № 1439632. Устройство для моделирования нервного пучка / Т.А. Межецкая, А.В. Савельев, А.А. Колесников.
  8. Базарова Д.Р., Демочкина Л.В., Савельев А.В.Новая нейробионическая модель онтогенеза // В сб.: Нейроинформатика-2002. М.: МИФИ. 2002. Т. 1. С. 97 - 106.
  9. А. с. № 1306368. Устройство для моделирования нейрона / Т.А. Межецкая, А.В. Савельев, А.А. Колесников.
  10. Савельев А.В. Образование упорядоченных структур в синаптической щели электрического синапса // Журнал проблем эволюции открытых систем. 2003. № 1(5). C. 147 - 152.
  11. А с. № 1561076. Устройство для моделирования нейрона высших отделов / И.Ф. Газутдинов, И.М. Лакомкин, А.В. Савельев, Н.А. Сергеев.
  12. Патент № 2024059 (РФ). Устройство для моделирования нейрона / А.Г. Жуков, Н.А. Савельева-Новосёлова, А.В. Савельев, Т.С. Лаврова.
  13. А. с. № 1394975. Устройство для моделирования нейрона / Н.А. Савельева-Новосёлова, А.В. Савельев.
  14. А. с. № 1439631. Устройство для моделирования нейрона / А.В. Савельев.
  15. А. с. № 1501101. Устройство для моделирования нейрона / А.В. Савельев, Н.А. Савельева-Новосёлова, А.А. Колесников, А.Г. Жуков.
  16. А. с. № 1585811. Устройство для моделирования нейрона / А.Г. Жуков, А.А. Колесников, Н.А. Савельева-Новосёлова, А.В. Савельев.
  17. А. с. № 1807503. Устройство для моделирования комиссурального мотонейрона / Б.Г. Ильясов, А.В. Савельев, Т.С. Лаврова.
  18. Schmitt F.O. Molecular regulators of brain function: A new view // Neuroscience. 1984. V. 13. №4. P. 991 - 1001.
  19. Савельев А.В. Нейрологические аспекты клеточной нейроматематики // Искусственный интеллект. 2008.  № 4. С. 612 - 623.
  20. Шаубергер В. Энергия воды. М.: Эксмо, Яуза. 2007.  С. 286 - 287.
  21. Mokrý J., Němeček S. Immunohistochemical detection of intermediate filament nestin // Acta Medica (Hradec Králové). 1998. V. 41. № 2. P.73 - 81.
  22. Введенский В.Л., Ожогин В.И.Магнитные поля человека http://www.integro.ru/system/new_science/field_obj/magnit.htm
  23. Савельев А.В.Нейросети с полевыми вычислениями. Бионейрокибернетические аспекты // В сб.: Нейроинформатика-2009. М.: МИФИ. 2009. Ч. I. С. 112 - 124.
  24. Сапрыкина Т.А., Колесников А.А., Савельев А.В. Где заканчивается головной мозг или о функции дендритных деревьев // В сб: Проблемы нейрокибернетики. Ростов-на-Дону: РГУ. 1995. С. 210 - 211.
  25. Бакуменко Л.П., Воробьева Т.М., Лещенко А.Г., Сулима Т.М.Управление функциями через биоинформационные программы, передаваемые от мозга одного животного к нервным структурам другого // В сб: Проблемы нейрокибернетики. Ростов-на-Дону: РГУ. 1983. С. 73.
  26. Чиженкова Р.А. Уровень активности в нейронных сетях коры больших полушарий при СВЧ облучении // В сб.: Моделирование неравновесных систем. Красноярск: ИВМ СО РАН. 2003. С. 186 - 187.
  27. Гутман А.М. Дендриты нервных клеток. Теория, электрофизиология, функции. Вильнюс: Мокслас. 1984.
  28. Hodgkin A.L. The conduction of the nervous impulse. Liverpool University Press. 1964.
  29. Савельев А.В. Коллизионная нейрологика парадоксов // В сб. материалов III Всеcсибирского конгресса женщин-математиков. Красноярск: ИВМ СО РАН. 2003.  С. 107 - 109.
  30. Савельев А.В.Реализм теории модульной самоорганизации мозжечка // Журнал проблем эволюции открытых систем. 2007. № 1(9). C. 93 - 101.
  31. Левитан Б.М.Операторы обобщённого сдвига и некоторые их применения. М.: Физматлит. 1962.
  32. Савельев А.В. Нейроинформационная природа пороговых волн или почему изменение порога нервного волокна всё-таки опережает распространение спайка - // В сб.: Нейроинформатика, её приложения и анализ данных. Красноярск: ИВМ СО РАН. 2011.  С. 116 - 123.
  33. Савельев А.В.Аксонные пороговые волны как возможный механизм акцептора результата действия на клеточном уровне // В сб.: Нейроинформатика, её приложения и анализ данных. Красноярск: ИВМ СО РАН. 2011. С. 124 - 131.
  34. Elfvin L.G., Hökfelt T., Goldstein M. Fluorescence microscopical, immunohistochemical and ultrastructural studies on sympathetic ganglia of the guinea pig, with special reference to the SIF cells and their catecholamine conten // Journal of Ultrastructure Research. 1975. V. 51. № 3. P. 377 - 396.
  35. Finean J.B., Burge R.E.The determination of the fourier transform of the myelin layer from a study of swelling phenomena // Journal of Molecular Biology. 1963. V.7. № 6. P. 672 - 682.
  36. Peters A., Palay S. L., Webster H de F. The Fine Structure of the Nervous System Neurons and Their Supporting Cells.New York; Oxford: OXFORD UNIVERSITY PRESS. 1991.
  37. Савельева-Новосёлова Н.А., Савельев А.В. Новая концепция субстрата долговременной нейронной памяти // 5 Междунар. Междисциплинарный Конгресс «Нейронаука для медицины и психологии». Судак, Крым, Украина. 2009. С. 257 - 258.
  38. Савельев А.В.Критический анализ функциональной роли модульной организации мозга // Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2008. № 5 - 6. C. 4 - 17.
  39. Савельев А.В.Новейшая экзистенциально-эписте­мологическая методология старых вычислительных нейроисследований // Материалы 7-го Междунар. Междисциплинарного Конгресса «Нейронаука для медицины и психологии».Судак, Крым, Украина. 2011.C. 366 - 368.