Wat is neurale backpropagatie?

Neurale backpropagatie is de naam die wordt gegeven aan het fenomeen van een impuls die achteruit beweegt door een neuraal circuit. Terwijl actiepotentialen meestal vanuit de cel reizen - beginnend specifiek op het punt van de axonheuvel - omlaag door het axon naar de eindboutons die synapsen vormen met ontvangende cellen, beweegt een terugpropagerende actiepotentiaal eigenlijk achteruit door de diffusie van inkomende ionen, waardoor spanning ontstaat- gated ionkanalen om het axon te openen in plaats van eraf. Meestal heeft neurale backpropagatie een kort bereik, maar het heeft het potentieel om door een heel neuraal circuit te reizen.

Een actiepotentiaal in een neuron wordt geïnitieerd op de axonheuvel, die ligt waar het axon de soma van een neurale cel ontmoet. De meeste neuronen hebben één enkel axon dat vele malen kan splitsen. Deze neuriet is het proces dat signalen van de cel verzendt, terwijl dendrieten, de andere neurieten op een neuron, gewoonlijk processen zijn die signalen ontvangen. Neurale backpropagatie wordt gereguleerd door ionkanalen in het axon en op het cellichaam.

Een axon functioneert in zijn rol van actiepotentialen van de axonheuvel naar de eindpunten van het axon, terminale boutons genaamd, door kanalen in het axonale membraan te openen die positief geladen ionen in de cel toelaten, deze depolariseren en spanningsafhankelijke kanalen veroorzaken openen. Spanningsafhankelijke kanalen laten verder positief geladen ionen in de cel, zoals calcium en kalium. Wanneer een cel zijn rustpotentieel van -70mV verliest en gedepolariseerd wordt vanwege de positieve ladingen van de binnenkomende ionen, "vuurt" deze en laat neurotransmitter-gevulde blaasjes los van eindboutons aan het einde van een axon.

Signaalvoortplanting functioneert als ionenkanalen langs een axon waardoor andere nabijgelegen kanalen openen, maar deze signaalvoortplanting kan in de omgekeerde richting bewegen en wanneer dit het geval is, wordt dit neurale backpropagatie genoemd. Dit proces treedt op wanneer een actiepotentiaal wordt geïnitieerd bij de axonheuvel en, hoewel het naar beneden door het axon kan gaan, zoals gewoonlijk, het ook een signaal in de tegenovergestelde richting leidt, waardoor het cellichaam depolariseert, inclusief synapsen en nabijgelegen dendrietsegmenten. Wanneer een dendritisch segment gedepolariseerd is, reageren de post-synaptische dichtheden die zich in dat gebied bevinden anders op inkomende signalen van andere neuronen. Enkele mogelijke gevolgen van neurale backpropagation omvatten fenomenen zoals dendro-dendritische remming en een membraanpotentiaalmodificatie, die eigenschappen van cellulair schieten kunnen veranderen.

Synaptische plasticiteit zoals langetermijnpotentiëring (LTP) en langetermijndepressie (LTD) worden geassocieerd met neurale backpropagatie omdat een terugpropagerend signaal inkomende signalen modificeert. Hoewel het concept elementair lijkt, is het idee van het veranderen van toekomstig gedrag op basis van ervaringen uit het verleden een mogelijke definitie van leren. Men zou dus in zekere zin kunnen zeggen dat neurale backpropagatie individuele cellen in staat stelt om op moleculair niveau te 'leren'. Neurale backpropagatie wordt vaak gezien in de neocortex, hippocampus en andere hersengebieden die vaak worden geassocieerd met geheugen, leren of een hoge mate van neurale plasticiteit.