Darwinizm neuronalny - Neural Darwinism

Edelman wygłasza wykład, 30 września 2010

Darwinizm neuronalny to biologiczne, a dokładniej darwinowskie i selekcjonistyczne podejście do zrozumienia globalnej funkcji mózgu , pierwotnie zaproponowane przez amerykańskiego biologa, badacza i laureata Nagrody Nobla Geralda Maurice'a Edelmana (1 lipca 1929 – 17 maja 2014). Książka Edelmana z 1987 r. Neural Darwinism wprowadziła opinię publiczną do teorii doboru grup neuronalnych (TNGS) – która jest podstawową teorią leżącą u podstaw wyjaśnień Edelmana dotyczących globalnego funkcjonowania mózgu.

Ze względu na tytuł książki, TNGS jest najczęściej określany jako Teoria Darwinizmu Neuronowego, chociaż TNGS ma korzenie sięgające książki Edelmana i Mountcastle z 1978 roku, The Mindful Brain – Cortical Organization and the Group-selective Theory of Higher Brain Function – gdzie Kolega Edelmana, amerykański neurofizjolog i anatom Vernon B. Mountcastle (15 lipca 1918 – 11 stycznia 2015), opisuje kolumnową strukturę grup korowych w obrębie kory nowej , natomiast Edelman rozwija swój argument za procesami selektywnymi zachodzącymi wśród zdegenerowanych repertuarów pierwotnych grupy neuronalne. Duży wpływ na rozwój darwinizmu neuronalnego miały prace Edelmana w dziedzinie immunologii , embriologii i neuronauki , a także jego metodologiczne zaangażowanie w ideę doboru jako jednoczącego fundamentu nauk biologicznych .

Wprowadzenie do darwinizmu neuronowego

Darwinizm neuronalny jest w rzeczywistości neuronową częścią naturalnego schematu filozoficznego i wyjaśniającego, który Edelman stosuje w większości swoich prac – Somatyczne systemy selektywne. Darwinizm neuronalny jest tłem dla obszernego zestawu hipotez i teorii biologicznych opracowanych przez Edelmana i jego zespół, które mają na celu pogodzenie morfologii neuronów kręgowców i ssaków , faktów biologii rozwojowej i ewolucyjnej oraz teorii doboru naturalnego w szczegółowy model funkcja neuronowa i poznawcza w czasie rzeczywistym, która jest biologiczna w swojej orientacji – i zbudowana oddolnie , wykorzystująca zmienność, która pojawia się w naturze , w przeciwieństwie do podejść obliczeniowych i algorytmicznych, które postrzegają zmienność jako szum w systemie obwodów logicznych z łącznością punkt-punkt.

Książka Neural Darwinism – The Theory of Neuronal Group Selection (1987) jest pierwszą z trylogii książek napisanych przez Edelmana w celu nakreślenia zakresu i zakresu jego pomysłów na to, jak biologiczna teoria świadomości i ewolucja planu ciała zwierząt może być opracowany w sposób oddolny. Zgodnie z zasadami biologii populacyjnej i teorią doboru naturalnego Darwina – w przeciwieństwie do odgórnych podejść algorytmicznych i obliczeniowych, które zdominowały wówczas rodzącą się psychologię poznawczą .

Pozostałe dwa tomy to Topobiology – An Introduction to Molecular Embryology (1988) z hipotezą morfo-regulacyjną rozwoju planu budowy ciała zwierząt i dywersyfikacji ewolucyjnej poprzez zróżnicowaną ekspresję cząsteczek powierzchniowych komórek podczas rozwoju; oraz The Remembered Present – ​​A Biological Theory of Consciousness (1989) – nowatorskie biologiczne podejście do zrozumienia roli i funkcji „świadomości” oraz jej związku z poznaniem i fizjologią behawioralną.

Edelman napisałby jeszcze cztery książki dla ogółu laików, wyjaśniając swoje pomysły dotyczące tego, jak działa mózg, a świadomość powstaje z fizycznej organizacji mózgu i ciała – Jasne powietrze, Wspaniały ogień – O materii umysłu (1992), A. Wszechświat świadomości – jak materia staje się wyobraźnią (2000) z Giulio Tononi, Szersze niż niebo – fenomenalny dar świadomości (2004) oraz Druga natura – nauka o mózgu i wiedza o człowieku (2006).

Darwinizm neuronalny jest badaniem myśli i filozofii biologicznej oraz nauk podstawowych ; Edelman doskonale zna historię nauki, filozofii naturalnej i medycyny , a także robotyki , cybernetyki , informatyki i sztucznej inteligencji . W trakcie przedstawiania argumentów za darwinizmem neuronalnym, a właściwie TNGS, Edelman nakreśla zestaw koncepcji ponownego przemyślenia problemu organizacji i funkcji układu nerwowego – cały czas, domagając się rygorystycznych kryteriów naukowych dla budowania fundamentów właściwie darwinowskie, a zatem biologiczne, wyjaśnienie funkcji nerwowych, percepcji , poznania i globalnej funkcji mózgu, zdolne do wspierania świadomości pierwszorzędowej i wyższego rzędu.

Myślenie populacyjne – somatyczne systemy selektywne

Ilustracja mostków dwusiarczkowych (czerwony) łączących łańcuchy lekki (L, zielony) i ciężki (H, fioletowy) przeciwciała immunoglobuliny G (IgG). Regiony zmienne (V) znajdują się na końcu wiązania antygenu; a domeny stałe (C) tworzą ramkę pierwszorzędową cząsteczki IgG. Kolejny mostek dwusiarczkowy utrzymuje razem dwie symetryczne jednostki utworzone z łańcucha lekkiego ( VL + CL ) i łańcucha ciężkiego ( VH + CH1 + CH2 + CH3 ), tworząc kompletne przeciwciało.
Teoria selekcji klonalnej (CST): hematopoetyczne komórki macierzyste (1) różnicują się i przechodzą rearanżację genetyczną w celu wytworzenia populacji komórek o szerokim zakresie istniejącej wcześniej różnorodności w odniesieniu do ekspresji przeciwciał (2). Limfocyty wyrażające przeciwciała, które mogłyby prowadzić do autoimmunizacji, są odfiltrowywane z populacji (3), podczas gdy reszta populacji reprezentuje zdegenerowaną pulę różnorodności (4), w której warianty wyselekcjonowane antygenowo (5) mogą być w odpowiedzi różnicowo amplifikowane (6). Po usunięciu antygenu populacja reagująca zmniejszy się, ale nie tak bardzo, jak została wzmocniona, pozostawiając zwiększoną zdolność do reagowania na przyszłe wtargnięcia antygenu – formę zwiększonego rozpoznawania i pamięci w systemie.

Edelman był zainspirowany sukcesami innego laureata Nagrody Nobla Franka MacFarlane Burneta i jego teorii selekcji klonalnej (CST) nabytej odporności na antygeny poprzez różnicową amplifikację istniejącej wcześniej zmienności w skończonej puli limfocytów w układzie odpornościowym . Populacja wariantowych limfocytów w organizmie odzwierciedla wariantowe populacje organizmów w ekologii. Istniejąca wcześniej różnorodność jest motorem adaptacji w ewolucji populacji.

„Z teorii ewolucyjnej i immunologicznej jasno wynika, że ​​w obliczu nieznanej przyszłości podstawowym warunkiem udanej adaptacji jest istniejąca wcześniej różnorodność”. – Gerald M. Edelman (1978)

Edelman dostrzega zakres wyjaśniający wykorzystania przez Burneta zasad darwinowskich w opisie działania układu odpornościowego – i uogólnia ten proces na wszystkie populacje komórek organizmu. Dochodzi również do postrzegania problemu jako problemu rozpoznawania i pamięci z perspektywy biologicznej, gdzie rozróżnienie i zachowanie „ ja” i „ nie-ja” jest niezbędne dla integralności organizmu.

Darwinizm neuronalny, jako TNGS, jest teorią doboru grup neuronowych, która przebudowuje podstawowe koncepcje podejścia teoretycznego Darwina i Burneta. Darwinizm neuronalny opisuje rozwój i ewolucję mózgu ssaków oraz jego funkcjonowanie poprzez rozszerzenie paradygmatu darwinowskiego na ciało i układ nerwowy.

Przeciwciała i NCAM – nowe rozumienie somatycznych układów selektywnych

Edelman był naukowcem medycznym, fizykochemikiem , immunologiem i aspirującym neurobiologiem, kiedy w 1972 roku otrzymał Nagrodę Nobla w dziedzinie fizjologii lub medycyny (wspólnie z Rodneyem Porterem z Wielkiej Brytanii). Część nagrody Edelmana dotyczyła jego pracy, która ujawniła strukturę chemiczną przeciwciała kręgowców poprzez rozszczepienie kowalencyjnych mostków dwusiarczkowych, które łączą ze sobą fragmenty łańcuchów składowych, ujawniając parę dwudomenowych łańcuchów lekkich i czterodomenowych łańcuchów ciężkich. Późniejsza analiza wykazała, że ​​domeny końcowe obu łańcuchów są domenami zmiennymi odpowiedzialnymi za rozpoznawanie antygenu.

Prace Portera i Edelmana ujawniły podstawy molekularne i genetyczne stanowiące podstawę generowania różnorodności przeciwciał w układzie odpornościowym. Ich praca poparła wcześniejsze idee dotyczące wcześniej istniejącej różnorodności w układzie odpornościowym, wysunięte przez pioniera duńskiego immunologa Nielsa K. Jerne'a (23 grudnia 1911 – 7 października 1994); jak również wspieranie pracy Franka MacFarlane Burneta opisującej, w jaki sposób limfocyty zdolne do wiązania się ze specyficznymi obcymi antygenami są w różny sposób amplifikowane przez klonalne namnażanie wybranych wcześniej istniejących wariantów po odkryciu antygenu.

Edelman czerpał inspirację z mechano-chemicznych aspektów interakcji antygen/przeciwciało/limfocyt w odniesieniu do rozpoznawania siebie-nie-ja; zdegenerowana populacja limfocytów w ich kontekście fizjologicznym; oraz bioteoretyczne podstawy tej pracy w terminach darwinowskich.

W 1974 Edelman uważał, że immunologia jest mocno ugruntowana na solidnych podstawach teoretycznych opisowo, jest gotowa do eksperymentów ilościowych i może być idealnym modelem do badania ewolucyjnych procesów selekcji w obserwowalnym okresie czasu.

Jego badania nad oddziaływaniami układu odpornościowego rozwinęły w nim świadomość znaczenia powierzchni komórki i molekularnych mechanizmów oddziaływań z innymi komórkami i substratami. Edelman dalej rozwijał swoje idee topobiologii wokół tych mechanizmów – oraz ich regulacji genetycznej i epigenetycznej w warunkach środowiskowych.

Podczas wyprawy w kierunku embriologii molekularnej i neuronauki w 1975 r. Edelman i jego zespół wyizolowali pierwszą cząsteczkę adhezji komórek nerwowych (N-CAM), jedną z wielu cząsteczek, które spajają układ nerwowy zwierzęcia. N-CAM okazał się ważną cząsteczką kierującą rozwojem i różnicowaniem grup neuronalnych w układzie nerwowym i mózgu podczas embriogenezy . Ku zdumieniu Edelmana, sekwencjonowanie genetyczne ujawniło, że N-CAM był przodkiem przeciwciała kręgowców wytwarzanych w następstwie zestawu zdarzeń duplikacji całego genomu u kręgowców, które dały początek całej nadrodzinie genów immunoglobulin .

Edelman wywnioskował, że cząsteczka N-CAM, która jest używana do samorozpoznawania i przylegania między neuronami w układzie nerwowym, dała początek ich ewolucyjnym potomkom, przeciwciałom, które wyewoluowały rozpoznawanie siebie-nie-ja poprzez adhezję antygenu u początków kręgowców układ odpornościowy oparty na przeciwciałach. Jeśli selekcja klonalna była sposobem działania układu odpornościowego, być może była od przodków i bardziej ogólna – i działała w embrionie i układzie nerwowym.

Zmienność w systemach biologicznych – degeneracja, złożoność, odporność i ewolucja

Degeneracja kodu genetycznego chroni systemy biologiczne przed skutkami przypadkowych mutacji . Genialny eksperyment Nirenberga i Ledera z 1964 r. miał zidentyfikować kodony mRNA , sekwencję tripletową rybonukleotydów , która kodowała każdy aminokwas ; wyjaśniając w ten sposób uniwersalny kod genetyczny w DNA, gdy uwzględniono proces transkrypcji . Zmiany w trzeciej pozycji kodonu, pozycji chybotania , często skutkują tym samym aminokwasem i często wybór sprowadza się do puryny lub pirymidyny tylko wtedy, gdy trzeba dokonać wyboru. Podobne, ale wariantowe sekwencje kodonów mają tendencję do tworzenia podobnych klas aminokwasów – reszt polarnych do polarnych, niepolarnych do niepolarnych, kwasowych do kwasowych i zasadowych do zasadowych.
Cztery główne klasy aminokwasów biologicznych – polarne (hydrofilowe), niepolarne (hydrofobowe), kwasowe i zasadowe reszty łańcucha bocznego. Szkielet aminokwasowy to grupa aminowa połączona z węglem alfa , na którym znajduje się reszta łańcucha bocznego i atom wodoru, który jest połączony z końcową grupą karboksylanową . Oprócz mostka dwusiarczkowego istnieje wiele zdegenerowanych kombinacji reszt łańcucha bocznego, które tworzą strukturę trzeciorzędową ( mostki wiązania H , hydrofobowe i jonowe ) w określaniu struktury białka.
Relacje między degeneracją, złożonością, solidnością i ewoluowalnością – 1) Degeneracja jest źródłem Solidności. 2) Degeneracja jest pozytywnie skorelowana ze złożonością. 3) Degeneracja zwiększa zdolność do ewolucji. 4) Ewolucja jest warunkiem wstępnym złożoności. 5) Zwiększa się złożoność, aby poprawić wytrzymałość. 6) Ewolucja wyłania się z Solidności.

Degeneracja i jej związek ze zmiennością jest kluczowym pojęciem w darwinizmie neuronalnym. Im bardziej odbiegamy od idealnej formy, tym bardziej kusi nas, by opisywać odchylenia jako niedoskonałości. Z drugiej strony Edelman wyraźnie uznaje zmienność strukturalną i dynamiczną układu nerwowego. Lubi porównywać różnice między redundancją w systemie inżynieryjnym a degeneracją w systemie biologicznym. Następnie demonstruje, w jaki sposób „szum” podejścia obliczeniowego i algorytmicznego jest rzeczywiście korzystny dla somatycznego systemu selekcyjnego, zapewniając szeroki i zdegenerowany wachlarz potencjalnych elementów rozpoznawczych.

Argumentem Edelmana jest to, że w systemie inżynieryjnym

  • skonfrontowany ze znanym problemem
  • wymyślono logiczne rozwiązanie
  • konstruuje się sztuczkę, aby wdrożyć rozwiązanie problemu

Aby zapewnić niezawodność rozwiązania, krytyczne komponenty są replikowane jako dokładne kopie. Nadmiarowość zapewnia niezawodną kopię zapasową w przypadku katastrofalnej awarii istotnego komponentu, ale jest to ta sama odpowiedź na ten sam problem po dokonaniu zastąpienia.

Jeśli problem jest przewidywalny i znany z wyprzedzeniem, nadmiarowość działa optymalnie. Ale systemy biologiczne stają przed otwartą i nieprzewidywalną areną zdarzeń czasoprzestrzennych, o których nie mają pojęcia. To tutaj zawodzi redundancja – kiedy zaprojektowaną odpowiedzią jest zły problem…

Zmienność napędza degenerację – a degeneracja zapewnia somatycznym systemom selektywnym więcej niż jeden sposób rozwiązania problemu; a także umiejętność rozwiązania więcej niż jednego problemu w ten sam sposób. Ta właściwość degeneracji sprawia, że ​​system staje się bardziej odporny na adaptację w obliczu nieprzewidzianych zdarzeń losowych, na przykład gdy jedno konkretne rozwiązanie nieoczekiwanie zawodzi – wciąż istnieją inne nienaruszone ścieżki, które można wykorzystać, aby uzyskać porównywalny wynik końcowy. Na początku Edelman spędza dużo czasu na przeciwstawianiu degeneracji i redundancji, procesów oddolnych i odgórnych oraz selekcjonistycznego i instruktażowego wyjaśniania zjawisk biologicznych.

Odrzucenie modeli obliczeniowych, kodów i okablowania punkt-punkt

Edelman doskonale zdawał sobie sprawę z wcześniejszej debaty w dziedzinie immunologii między instruktorami, którzy wierzyli, że limfocyty układu odpornościowego nauczyły się lub zostały poinstruowane o antygenie, a następnie wymyśliły odpowiedź; i selekcjonerzy, którzy wierzyli, że limfocyty już zawierały odpowiedź na antygen w istniejącej populacji, która była różnie amplifikowana w populacji w kontakcie z antygenem. I doskonale zdawał sobie sprawę, że selekcjoner ma dowody po swojej stronie.

Teoretyczne podejście Edelmana w neuronowym darwinizmie zostało pomyślane w opozycji do odgórnego algorytmicznego, obliczeniowego i instruktażowego podejścia do wyjaśniania funkcji neuronowych. Zamiast tego Edelman stara się wykorzystać problemy tego paradygmatu; podkreślając w ten sposób różnicę między procesami oddolnymi, jakie widzimy w biologii, a procesami odgórnymi, jakie widzimy w algorytmach inżynieryjnych . Postrzega neurony jako żywe organizmy działające w sposób kooperatywny i konkurencyjny w ramach swojej lokalnej ekologii i odrzuca modele, które postrzegają mózg w kategoriach chipów komputerowych lub bramek logicznych w algorytmicznie zorganizowanej maszynie .

Zaangażowanie Edelmana w darwinowskie podstawy biologii, jego rozwijające się rozumienie ewolucyjnych relacji między dwiema cząsteczkami, z którymi pracował, oraz jego doświadczenie w immunologii sprawiły, że stał się coraz bardziej krytyczny i niezadowolony z prób opisania działania układu nerwowego i mózgu. w kategoriach obliczeniowych lub algorytmicznych.

Edelman wyraźnie odrzuca podejścia obliczeniowe do wyjaśniania biologii jako niebiologicznej. Edelman przyznaje, że istnieje ochrona organizacji i struktury filogenetycznej w obrębie układu nerwowego kręgowców, ale wskazuje również na obfitość lokalnej naturalnej różnorodności, zmienności i degeneracji. Ta zmienność w obrębie układu nerwowego jest destrukcyjna dla teorii opartych na ścisłej łączności punkt-punkt, obliczeniach lub obwodach logicznych opartych na kodach. Próby zrozumienia tego szumu stwarzają trudności dla odgórnych podejść algorytmicznych – i zaprzeczają podstawowym faktom biologicznej natury problemu.

Edelman zauważył, że problematyczny i irytujący szum paradygmatu obliczeniowej logiki obwodów można zreinterpretować z perspektywy biologii populacji – gdzie ta zmienność sygnału lub architektury była w rzeczywistości motorem pomysłowości i solidności z perspektywy selekcyjnej.

Realizacja programu Darwina – Problemy morfologii ewolucyjnej i rozwojowej

W Topobiology Edelman zastanawia się nad poszukiwaniem przez Darwina powiązań między morfologią a embriologią w jego teorii Doboru Naturalnego. Identyfikuje cztery nierozwiązane problemy w rozwoju i ewolucji morfologii, które Darwin uważał za ważne:

  • Wyjaśnienie skończonej liczby planów ciała, które pojawiły się od czasów prekambryjskich .
  • Wyjaśnienie wielkoskalowych zmian morfologicznych w stosunkowo krótkich okresach czasu geologicznego.
  • Zrozumienie wielkości ciała i podstaw allometrii .
  • Jak sprawność adaptacyjna może wyjaśnić selekcję, która prowadzi do powstania złożonych struktur ciała.

Później, w Bright Air, Brilliant Fire , Edelman opisuje to, co nazywa Programem Darwina, mającym na celu uzyskanie pełnego zrozumienia zasad zachowania i formy w biologii ewolucyjnej. Określa cztery niezbędne wymagania:

  • Opis wpływu dziedziczności na zachowanie – i zachowanie na dziedziczność.
  • Opis tego, w jaki sposób dobór wpływa na zachowanie – i jak zachowanie wpływa na dobór.
  • Opis sposobu, w jaki zachowanie jest włączane i ograniczane przez morfologię.
  • Relacja o tym, jak morfogeneza zachodzi w rozwoju i ewolucji.

Należy zauważyć, że wymagania te nie są bezpośrednio określone w kategoriach genów, ale dziedziczenia. Jest to zrozumiałe, biorąc pod uwagę, że sam Darwin wydaje się nie być bezpośrednio świadomy znaczenia genetyki Mendla . Sytuacja zmieniła się na początku XX wieku, synteza neodarwinowska połączyła biologię populacyjną dziedziczenia mendlowskiego z darwinowskim doborem naturalnym. W latach 40. wykazano, że teorie te są wzajemnie spójne i spójne z paleontologią i morfologią porównawczą. Teoria ta stała się znana jako Nowoczesna synteza w oparciu o tytuł 1942 książka Evolution: The Modern Synthesis przez Juliana Huxleya .

Nowoczesna synteza naprawdę wystartował z odkryciem podstawie strukturalnego dziedziczności w postaci DNA. Współczesna synteza została znacznie przyspieszona i rozszerzona wraz z rozwojem nauk genomicznych, biologii molekularnej, a także postępem w technikach obliczeniowych i możliwości modelowania dynamiki populacji. Ale dla biologów ewolucyjno-rozwojowych brakowało czegoś bardzo ważnego… – było to włączenie jednej z założycielskich gałęzi biologii, embriologii. Brakującym elementem syntezy było jasne zrozumienie szlaku od zarodka przez zygotę, przez zarodek, do osobnika młodocianego i dorosłego. Edelman i jego zespół zostali umieszczeni w czasie i przestrzeni, aby w pełni wykorzystać te postępy techniczne i wyzwania naukowe – w miarę jak jego badania posuwały się coraz głębiej w komórkowe i molekularne podstawy neurofizjologicznych aspektów zachowania i poznania z perspektywy darwinowskiej.

Edelman reinterpretuje cele „programu Darwina” w kategoriach współczesnego rozumienia genów, biologii molekularnej i innych nauk, które nie były dostępne dla Darwina. Jednym z jego celów jest pogodzenie relacji między genami w populacji (genomem), które leżą w linii zarodkowej (plemnik, jajo i zapłodnione jajo); oraz osobniki w populacji, u których rozwijają się zdegenerowane fenotypy (soma), gdy przekształcają się z embrionu w dorosłego, który ostatecznie rozmnaża się, jeśli jest przystosowany. Selekcja działa na fenotypy (soma), ale ewolucja zachodzi w obrębie genomu gatunku (zarodek).

Edelman śledzi prace bardzo wpływowego amerykańskiego genetyka i biologa ewolucyjnego Richarda Lewontina (29 marca 1929 – 4 lipca 2021), czerpiąc szczególną inspirację ze swojej książki z 1974 roku, The Genetic Basis of Evolutionary Change . Edelman, podobnie jak Lewontin, poszukuje pełnego opisu przekształceń (T), które prowadzą nas od:

  • Zarodek genomowy (zygoty) – wkład genów ojcowskich i matczynych jest rekombinowany w zapłodnionym jaju, wraz z wyposażeniem matczynym w białka, mRNA i inne elementy rozwojowe, ale nowo utworzony diploidalny dopełniacz genetyczny nie kontroluje zygota jeszcze; musi zostać aktywowany lub wprowadzony do zygoty, która ma odziedziczony przez matkę metabolizm i fizjologię. Wkrótce po rekombinacji zygota przechodzi przez transformację (T1) do momentu, w którym kontrola genetyczna zygoty została przekazana osobnikowi,
  • Fenotyp-soma (embrion) – zarodek, który przekształca się (T2) zgodnie z regułami rządzącymi relacjami między genami, zachowaniem komórkowym i epigenetycznymi zdarzeniami natury, w
  • Phenotype-soma (dorosły) – osoba dorosła, która rozmnaża się (T3) z innym osobnikiem, aby połączyć nową rekombinację genetyczną poprzez wprowadzenie przez każdą gametę w postaci
  • Zarodek genomu (gamety) – plemnik i komórka jajowa, które zawierają haploidalny wkład genetyczny każdego rodzica, który ulega transformacji (T4)...
  • Genom-zarodek (zygoty) - w diploidalny zestaw genów w zapłodnionym jaju, wkrótce stanie się nową indywidualną zygotą.

Badanie Lewontina nad tymi transformacjami między przestrzenią genomową i fenotypową dotyczyło kluczowych presji selekcyjnych, które kształtują organizm w geologicznych, ewolucyjnych skalach czasowych; ale podejście Edelmana jest bardziej mechaniczne, a tu i teraz – skupia się na genetycznie ograniczonej mechanochemii procesów selekcji, które kierują zachowaniami epigenetycznymi ze strony komórek w embrionie i dorosłym w czasie rozwoju.

Mechanochemia, mezenchym i nabłonek – CAM i SAM w czasoprzestrzeni morforegulacyjnej

Przejścia mezenchymalno-nabłonkowe – Przejścia z nabłonka do mezenchymu (EMT) i przejścia mezenchymalne do nabłonka (MET) wykorzystujące CAM i SAM do tworzenia nabłonka; oraz czynniki wzrostu i induktory pośredniczące w przejściu do mezenchymu, gdy CAM i SAM są usuwane lub lokalizowane na błonie komórkowej.

Izolacja NCAM przez Edelmana doprowadziła go do sformułowania teorii na temat roli cząsteczek adhezyjnych komórek (CAM) i cząsteczek adhezyjnych substratu (SAM) w tworzeniu planu budowy ciała zwierzęcia zarówno w czasie rzeczywistym, jak i w czasie ewolucyjnym. Topobiologia jest przede wszystkim poświęcona temu zagadnieniu, które jest podstawą zrozumienia darwinizmu neuronalnego i tworzenia podstawowego repertuaru TNGS.

W swojej hipotezie regulatora Edelman stawia hipotezę o roli cząsteczek powierzchniowych komórek w embriogenezie oraz o tym, jak przesunięcie ekspresji tych cząsteczek w czasie i miejscu w zarodku może kierować rozwojem wzorca. Później rozszerzy tę hipotezę o Hipotezę morforegulacyjną. Opisuje populacje komórek embrionalnych jako zorganizowane jako mezenchymy lub epetheilia.

Edelman charakteryzuje te dwa typy populacji w następujący sposób:

  • Nabłonek – populacja komórek, które są zorganizowane w spójne tkanki, które mają dobrze ugruntowane wzorce CAM; jak również stabilny wzór adhezji substratu między komórkami a macierzą pozakomórkową.
  • Mezenchym – populacja komórek, które są luźno związane i migrują, które cofnęły (lub zlokalizowały) swoje cząsteczki CAM i SAM tak, że mogą podążać za homofilnymi i heterofilnymi gradientami w obrębie innych populacji komórek zarodka.

Przewiduje cykl napędzany CAM i SAM, w którym populacje komórek przekształcają się tam iz powrotem między mezenchymem a nabłonkiem. poprzez przemiany nabłonkowo-mezenchymalne, w miarę jak rozwój zarodka przechodzi do stadium płodowego. Ekspresja CAM i SAM jest pod kontrolą genetyczną, ale dystrybucja tych cząsteczek na błonie komórkowej i macierzy zewnątrzkomórkowej jest historycznie uwarunkowana zdarzeniami epigenetycznymi, służąc jako jedna z podstawowych podstaw do generowania wcześniej istniejącej różnorodności w obrębie układu nerwowego i inne tkanki.

Rozwojowe pytanie genetyczne

Jest wiele pytań rozwojowych do rozważenia, ale Edelman jest w stanie zwięźle podsumować problem w sposób, który wskaże mu jasną, wyjaśniającą drogę naprzód. Kwestia genetyki rozwojowej definiuje problem - i podejście teoretyczne dla niego.

„W jaki sposób jednowymiarowy kod genetyczny określa trójwymiarowe zwierzę?” – Gerald M. Edelman, ze glosariusza Topobiologii

Już w 1984 roku Edelman byłby gotowy odpowiedzieć na to pytanie i połączyć je ze swoimi wcześniejszymi pomysłami na temat degeneracji i selekcji somatycznej w układzie nerwowym. Edelman powróci do tego zagadnienia w topobiologii i połączy go z podejściem ewolucyjnym, poszukując kompleksowej teorii tworzenia i ewolucji planu ciała.

Hipoteza regulatora

W 1984 roku Edelman opublikował swoją hipotezę regulatorową działania CAM i SAM w rozwoju i ewolucji planu budowy ciała zwierzęcia.

Edelman powtórzył tę hipotezę w swojej książce Neural Darwinism na poparcie mechanizmów tworzenia zdegenerowanych grup neuronalnych w repertuarze pierwotnym. Hipoteza regulatora dotyczyła przede wszystkim działania CAM. Później rozszerzył hipotezę w topobiologii o znacznie bardziej zróżnicowany i inkluzywny zestaw cząsteczek morforegulacyjnych.

Pytanie ewolucyjne

Edelman zdawał sobie sprawę, że aby naprawdę ukończyć Program Darwina, musiałby powiązać kwestię rozwojową z szerszymi zagadnieniami biologii ewolucyjnej.

„Jak można pogodzić odpowiedź na rozwojowe pytanie genetyczne (qv) ze stosunkowo szybkimi zmianami formy zachodzącymi w stosunkowo krótkim czasie ewolucyjnym?” – Gerald M. Edelman, ze glosariusza Topobiologii

Hipoteza morforegulatora

Wkrótce po opublikowaniu Hipotezy regulatora , Edelman rozszerzył swoją wizję tworzenia wzorców podczas embriogenezy – i starał się powiązać ją z szerszymi ramami ewolucyjnymi. Jego pierwszym i najważniejszym celem jest udzielenie jasnej, spójnej i spójnej odpowiedzi na pytanie genetyki rozwojowej, po której następuje pytanie ewolucyjne .

TNGS – Teoria doboru grup neuronalnych

Motywacją Edelmana do opracowania teorii doboru grup neuronalnych (TNGS) było rozwiązanie „liczby oczywistych niespójności w naszej wiedzy na temat rozwoju, anatomii i fizjologicznych funkcji ośrodkowego układu nerwowego”. Dla Edelmana palącym problemem było wyjaśnienie kategoryzacji percepcyjnej bez odniesienia do centralnego homunkulusa obserwacyjnego lub „zakładania, że ​​świat jest z góry zaaranżowany w sposób informacyjny”.

Uwolnić się od wymagań, wymagań i sprzeczności modelu przetwarzania informacji; Edelman sugeruje, że kategoryzacja percepcyjna działa poprzez dobór grup neuronalnych zorganizowanych w sieci wariantowe, które są różnie wzmacniane ich odpowiedzi w połączeniu z hedonicznym sprzężeniem zwrotnym w trakcie doświadczenia, z ogromnej populacji grup neuronowych konfrontowanych z chaotycznym szeregiem sensorycznych wkład o różnym stopniu znaczenia i znaczenia dla organizmu.

Edelman wprost odrzuca pojęcie homunkulusa , opisując go jako „bliskiego kuzyna elektryka rozwojowego i dekodera neuronowego”, artefakty scentralizowanej przez obserwatora logiki projektowania odgórnego podejścia do przetwarzania informacji. Edelman słusznie wskazuje, że „prawdopodobnie można przypuszczać, że większość neurobiologów postrzegałaby zarówno homunkulusy, jak i dualistyczne rozwiązania (Popper i Eccles 1981) problemów subiektywnych raportów jako będące poza zasięgiem naukowych rozważań”.

Niezbędne kryteria dla selekcjonistycznej teorii wyższej funkcji mózgu

Pierwszy teoretyczny wkład Edelmana w darwinizm neuronalny miał miejsce w 1978 r., kiedy zaproponował swoją selekcję grupową i fazową sygnalizację wklęsłą: teoria wyższej funkcji mózgu . Edelman stawia pięć niezbędnych wymagań, które musi spełnić biologiczna teoria wyższych funkcji mózgu.

  • Teoria powinna być spójna z dziedzinami embriologii, neuroanatomii i neurofizjologii.
  • Teoria powinna uwzględniać uczenie się i pamięć oraz przywoływanie w czasie w systemie rozproszonym.
  • Teoria powinna uwzględniać, w jaki sposób pamięć jest aktualizowana na podstawie doświadczenia w czasie rzeczywistym.
  • Teoria powinna wyjaśniać, w jaki sposób wyższe systemy mózgowe pośredniczą w doświadczaniu i działaniu.
  • Teoria powinna uwzględniać niezbędne, jeśli nie wystarczające, warunki do pojawienia się świadomości.

Organizacja teorii TNGS

Darwinizm neuronalny dzieli wyjaśnienie TNGS na trzy części – dobór somatyczny, mechanizmy epigenetyczne i funkcje globalne. Pierwsze dwie części dotyczą tego, jak zmienność pojawia się poprzez interakcję zdarzeń genetycznych i epigenetycznych na poziomie komórkowym w odpowiedzi na zdarzenia zachodzące na poziomie rozwijającego się układu nerwowego zwierząt. Trzecia część próbuje zbudować czasowo spójny model globalnie jednolitej funkcji poznawczej i zachowania, który wyłania się oddolnie poprzez interakcje grup neuronowych w czasie rzeczywistym.

Edelman zorganizował kluczowe idee teorii TNGS w trzy główne założenia:

  • Repertuar podstawowy – Rozwój rozwojowy i selekcja grup neuronalnych;
  • Repertuar wtórny – selekcja behawioralna i empiryczna prowadząca do zmian w sile połączeń między populacjami synaptycznymi, które wiążą ze sobą grupy neuronalne;
  • Sygnalizacja wklęsła – synchroniczne wzbudzanie wzajemnie połączonych grup neuronowych w obrębie map sensomotorycznych w zespoły o spójnej globalnej aktywności.

Repertuar pierwotny kształtuje się w okresie od początku neurulacji do końca apoptozy. Repertuar wtórny rozciąga się na okres synaptogenezy i mielinizacji, ale będzie nadal wykazywał plastyczność rozwojową przez całe życie, aczkolwiek w mniejszym stopniu w porównaniu z wczesnym rozwojem.

Obydwa repertuary poruszają kwestię relacji między procesami genetycznymi i epigenetycznymi w określaniu ogólnej architektury neuroanatomii – dążenie do pogodzenia Natury, Wychowania i zmienności w kształtowaniu ostatecznego fenotypu każdego indywidualnego układu nerwowego.

Nie ma okablowania punkt-punkt, które przenosi kod neuronowy przez obwód logiki obliczeniowej, który dostarcza wynik do mózgu, ponieważ

  • po pierwsze, dowody nie wspierają takiego poglądu w sposób nieproblematyczny,
  • po drugie, szum w systemie jest zbyt duży, aby kod neuronowy był spójny,
  • i po trzecie, geny mogą jedynie przyczyniać się i ograniczać procesy rozwojowe; nie określać ich we wszystkich szczegółach.

Zmienność jest nieuniknionym wynikiem dynamiki rozwoju.

Sygnalizacja wtórna jest próbą wyjaśnienia, w jaki sposób „Koherentne czasowe korelacje odpowiedzi arkuszy receptorów czuciowych, zespołów motorycznych i oddziałujących grup neuronalnych w różnych obszarach mózgu występują”.

Repertuar podstawowy- Selekcja rozwojowa

Pierwsza zasada TNGS dotyczy zdarzeń embrionalnych i poprzedzających okres noworodkowy. Ta część teorii próbuje wyjaśnić wyjątkowe zróżnicowanie anatomiczne mózgu nawet między genetycznie identycznymi osobnikami. Pierwsza zasada proponuje rozwój podstawowego repertuaru zdegenerowanych grup neuronalnych o różnych połączeniach anatomicznych, które są ustalane przez historyczne uwarunkowania pierwotnych procesów rozwojowych. Ma na celu wyjaśnienie, w jaki sposób różnorodność fenotypów grup neuronalnych wyłania się z genotypu organizmu poprzez wpływy genetyczne i epigenetyczne, które manifestują się mechaniczno-chemicznie na powierzchni komórki i determinują łączność.

Edelman wymienia następujące elementy jako niezbędne do tworzenia podstawowego repertuaru grup neuronalnych, ale także przyczyniające się do ich anatomicznego zróżnicowania i zmienności:

  • Podział komórki – w tworzeniu populacji neuronów powtarzają się rundy podziału komórki
  • Śmierć komórki – istnieje znaczna ilość zaprogramowanej śmierci komórki, która następuje poprzez apoptozę w populacjach neuronów.
  • Rozszerzanie i eliminacja procesu – sondowanie eksploracyjne środowiska embrionalnego przez rozwijające się neurony obejmuje wydłużanie i eliminację procesu, ponieważ neurony wykrywają gradienty molekularne na sąsiednich błonach powierzchniowych komórek i podłożu macierzy zewnątrzkomórkowej.
  • Działanie CAM i SAM – Mechanochemia cząsteczek adhezyjnych komórek i powierzchniowych odgrywa kluczową rolę w migracji i łączności neuronów, ponieważ tworzą one grupy neuronów w ogólnej rozproszonej populacji.

Dwa kluczowe pytania w odniesieniu do tego zagadnienia, na które Edelman stara się odpowiedzieć „w kategoriach rozwojowych zdarzeń genetycznych i epigenetycznych”, to:

  • „W jaki sposób jednowymiarowy kod genetyczny określa trójwymiarowe zwierzę?”
  • „Jak odpowiedź na to pytanie jest zgodna z możliwością stosunkowo szybkiej zmiany morfologicznej w stosunkowo krótkich okresach czasu ewolucyjnego?”

Repertuar wtórny – Dobór doświadczeń

Druga zasada TNGS dotyczy wydarzeń pourodzeniowych, które regulują rozwój wtórnego repertuaru połączeń synaptycznych między populacjami wyższego rzędu grup neuronalnych, których tworzenie jest napędzane przez selekcję behawioralną lub empiryczną działającą na populacje synaptyczne w obrębie i pomiędzy grupami neuronalnymi. Pojęcie repertuaru wtórnego Edelmana w dużej mierze zapożycza z prac Jean-Pierre Changeux i jego współpracowników Philippe'a Courrège'a i Antoine'a Danchina oraz ich teorii selektywnej stabilizacji synaps.

Modyfikacja synaptyczna

Po ustaleniu podstawowej, zróżnicowanej struktury anatomicznej podstawowego repertuaru grup neuronalnych, jest ona mniej lub bardziej ustalona. Ale biorąc pod uwagę liczną i różnorodną kolekcję sieci grup neuronalnych, muszą istnieć funkcjonalnie równoważne, choć anatomicznie nieizomorficzne grupy neuronalne i sieci zdolne do reagowania na pewne bodźce czuciowe. Stwarza konkurencyjnego środowiska, w którym grupy neuronów biegły w ich odpowiedzi na pewne środki są „w różny sposób wzmocniony” poprzez podniesienie synaptycznych skutecznością wybranego neuronalnej sieci grupowego. Prowadzi to do zwiększonego prawdopodobieństwa, że ​​ta sama sieć zareaguje w przyszłości na podobne lub identyczne sygnały. Dzieje się to poprzez wzmocnienie synaps neuron-neuron. Te korekty pozwalają na plastyczność neuronową według dość szybkiego harmonogramu.

Ponowne wejście

Trzecią i ostatnią zasadą TNGS jest reentry. Sygnalizacja wklęsła „oparta jest na istnieniu wzajemnie połączonych map neuronowych”. Te mapy topobiologiczne utrzymują i koordynują w czasie rzeczywistym odpowiedzi wielu odpowiadających drugorzędnych sieci repertuarowych, zarówno jednomodalnych, jak i multimodalnych – a ich wzajemne połączenia wklęsłe pozwalają im „utrzymać i utrzymać ciągłość czasoprzestrzenną w odpowiedzi na sygnały ze świata rzeczywistego”.

Ostatnia część teorii próbuje wyjaśnić, w jaki sposób doświadczamy spójności czasoprzestrzennej w naszej interakcji z bodźcami środowiskowymi. Edelman nazwał to „ reentry ” i zaproponował model sygnalizacji wklęsłej, w którym rozłączne, multimodalne próbkowanie tego samego zdarzenia bodźca korelowało w czasie, co umożliwia trwałe fizjologiczne porywanie rozproszonych grup neuronowych w czasowo stabilne globalne behawioralne jednostki działania lub percepcji. Innymi słowy, wiele grup neuronowych może być użytych do równoległego próbkowania danego zestawu bodźców i komunikowania się między tymi rozłącznymi grupami z zaistniałym opóźnieniem.

Rozszerzona teoria doboru grup neuronalnych – hipoteza rdzenia dynamicznego

W następstwie publikacji Neural Darwinism Edelman nadal rozwijał i rozszerzał swoją teorię TNGS oraz Hipotezę regulatora. Edelman zajął się zagadnieniami morfologicznymi w Topobiologii i zaczął rozszerzać teorię TNGS w The Remembered Present . Od czasu do czasu Edelman publikował nową aktualizację swojej teorii i poczynionego postępu.

W The Remembered Present Edelman zauważył, że centralny układ nerwowy ssaków wydaje się mieć dwa odrębne morfologicznie zorganizowane układy – jeden układ limbiczny-pnia mózgu, który jest głównie poświęcony „zachowaniom apetytywnym, konsumpcyjnym i obronnym”; Drugim systemem jest wysoce wklęsły system korowo-wzgórzowy, składający się ze wzgórza wraz z „pierwszorzędowymi i drugorzędowymi obszarami czuciowymi i korą asocjacyjną”, które są „silnie połączone z zewnętrznymi receptorami i są ściśle i szeroko mapowane w sposób polimodalny”.

Układ limbiczno-mózgowy - Wewnętrzny świat sygnałów

Anatomia neuronalna hedonicznego systemu sprzężenia zwrotnego znajduje się w pniu mózgu, układzie autonomicznym, hormonalnym i limbicznym. System ten przekazuje swoją ocenę stanu trzewnego reszcie ośrodkowego układu nerwowego. Edelman nazywa ten system układem limbiczno-mózgowym .

Układ wzgórzowo-korowy - Zewnętrzny świat sygnałów

Wzgórze jest bramą do kory nowej dla wszystkich zmysłów z wyjątkiem węchu. Drogi spinothalamic dostarczają informacje czuciowe z obwodu do wzgórza, gdzie zintegrowana jest multimodalna informacja czuciowa i wyzwala szybką reakcję podkorowych odruchowych reakcji motorycznych za pośrednictwem jądra migdałowatego, zwojów podstawy, podwzgórza i ośrodków pnia mózgu. Jednocześnie każda modalność czuciowa jest również równolegle wysyłana do kory w celu analizy refleksyjnej wyższego rzędu, multimodalnej asocjacji sensomotorycznej i zaangażowania powolnej odpowiedzi modulacyjnej, która dostroi odruchy podkorowe.

Przydatki korowe – narządy sukcesji

W The Remebered Present Edelman uznaje ograniczenia swojej teorii TNGS w modelowaniu czasowej dynamiki sukcesji zachowań motorycznych i pamięci. Jego wczesne próby automatów replikacyjnych okazały się niewystarczające do zadania wyjaśnienia sekwencjonowania w czasie rzeczywistym i integracji interakcji grup neuronalnych z innymi systemami organizmu. „Ani oryginalna teoria, ani symulowane automaty rozpoznawania nie zajmują się zadowalająco szczegółowo kolejnością wydarzeń w czasie, za pośrednictwem kilku głównych składników mózgu, które przyczyniają się do pamięci, szczególnie w odniesieniu do świadomości”. Ten problem skłonił go do skupienia się na tym, co nazwał organami sukcesji; móżdżek, zwoje podstawy mózgu i hipokamp.

Przyjęcie

Wczesna recenzja książki „ Neural Darwinism in The New York Review of Books” autorstwa Israela Rosenfielda wywołała żywą reakcję ze strony społeczności neuronauk. Poglądy Edelmana byłyby postrzegane jako atak na dominujący paradygmat algorytmów obliczeniowych w psychologii poznawczej i neuronauce obliczeniowej – zachęcający do krytyki z wielu stron.

Pojawiłyby się liczne skargi dotyczące trudności językowych. Niektórzy widzieliby Edelmana jako aroganckiego lub intruza w dziedzinie neuronauki z sąsiedniej biologii molekularnej. Pojawiły się uzasadnione argumenty dotyczące tego, ile danych eksperymentalnych i obserwacyjnych zebrano w tamtym czasie na poparcie teorii. Albo czy teoria była oryginalna, czy nie.

Częściej jednak, zamiast zajmować się krytyką podejść obliczeniowych Edelmana, krytyka koncentrowała się wokół tego, czy system Edelmana był naprawdę poprawnym wyjaśnieniem darwinowskim. Niemniej jednak, darwinizm neuronalny , zarówno książka, jak i koncepcja, spotkały się z dość szerokim uznaniem krytyków.

Jedną z najsłynniejszych krytyki neuronalnego darwinizmu byłaby krytyczna recenzja Francisa Cricka z 1989 r. , Neural Edelmanism . Francis Crick oparł swoją krytykę na tym, że grupy neuronalne są instruowane przez środowisko, a nie podlegają ślepej zmienności. W 1988 neurofizjolog William Calvin zaproponował prawdziwą replikację w mózgu, podczas gdy Edelman sprzeciwił się idei prawdziwych replikatorów w mózgu. Stephen Smoliar opublikował kolejną recenzję w 1989 roku.

Anglia i jej środowisko neuronaukowe musiałyby polegać na fałszywych kopiach książki do 1990 roku, ale gdy książka dotarła na angielskie brzegi, brytyjski komentator społeczny i neurobiolog Steven Rose szybko pochwalił i skrytykował jej pomysły, pisząc styl, przypuszczenia i wnioski. New York Times pisarz George Johnson opublikował „Evolution między uszami”, krytyczny przegląd 1992 książki Geralda Edelmana Brilliant Air, Brilliant ogniu . W 2014 roku John Horgan napisał szczególny wnikliwy hołd dla Geralda Edelmana w „ Scientific American” , podkreślając zarówno jego arogancję, błyskotliwość, jak i specyficzne podejście do nauki.

Został on zaproponowany przez Chase Herrmann-Pillath że Friedrich Hayek wcześniej zaproponował podobny pomysł w swojej książce Sensory zamówienia: dochodzenie w sprawie Podstaw Psychologii Teoretycznej , opublikowanej w 1952 roku innych czołowych Zwolennicy propozycji selectionist m.in. Jean-Pierre Changeux (1973, 1985), Daniel Dennett i Linda B. Smith . Recenzje prac Edelmana będą publikowane w miarę rozpowszechniania się jego idei.

Niedawny przegląd dokonany przez Fernando, Szathmary i Husbands wyjaśnia, dlaczego darwinizm neuronalny Edelmana nie jest darwinowski, ponieważ nie zawiera jednostek ewolucji zdefiniowanych przez Johna Maynarda Smitha . Jest selekcjonistyczny, ponieważ spełnia równanie Price'a , ale w teorii Edelmana nie ma mechanizmu wyjaśniającego, w jaki sposób informacja może być przekazywana między grupami neuronów. Niedawna teoria zwana neurodynamiką ewolucyjną, opracowana przez Eorsa Szathmary i Chrisantha Fernando, zaproponowała kilka sposobów, dzięki którym prawdziwa replikacja może zachodzić w mózgu.

Te modele neuronalne zostały rozszerzone przez Fernando w późniejszym artykule. W najnowszym modelu trzy mechanizmy plastyczności i) multiplikatywne STDP, ii) LTD i iii) konkurencja heterosynaptyczna są odpowiedzialne za kopiowanie wzorców połączeń z jednej części mózgu do drugiej. Dokładnie te same reguły plastyczności mogą wyjaśnić dane eksperymentalne dotyczące tego, jak niemowlęta uczą się przyczynowo w eksperymentach przeprowadzonych przez Alison Gopnik. Wykazano również, że poprzez dodanie uczenia Hebbowskiego do replikatorów neuronalnych moc neuronowych obliczeń ewolucyjnych może być w rzeczywistości większa niż dobór naturalny w organizmach.

Zobacz też

Uwagi

Cytaty

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki