Neuronale Backpropagation ist die Bezeichnung für das Phänomen, dass sich ein Impuls rückwärts durch einen neuronalen Schaltkreis bewegt. Während Aktionspotentiale normalerweise von der Zelle – beginnend an der Spitze des Axonhügels – das Axon hinunter zu den terminalen Boutons wandern, die mit den aufnehmenden Zellen Synapsen bilden, bewegt sich ein zurückausbreitendes Aktionspotential durch die Diffusion ankommender Ionen tatsächlich rückwärts, was zu Spannungen führt. gesteuerte Ionenkanäle, um das Axon zu öffnen, anstatt es hinunter zu gehen. Normalerweise hat die neuronale Backpropagation eine kurze Wirkungsbreite, aber sie hat das Potenzial, einen ganzen neuronalen Schaltkreis zu durchlaufen.
Ein Aktionspotential in einem Neuron wird am Axonhügel ausgelöst, der dort liegt, wo das Axon auf das Soma einer Nervenzelle trifft. Die meisten Neuronen haben ein einziges Axon, das sich viele Male verzweigen kann. Dieser Neurit ist der Prozess, der Signale von der Zelle sendet, während Dendriten, die anderen Neuriten eines Neurons, normalerweise Prozesse sind, die Signale empfangen. Die neuronale Backpropagation wird durch Ionenkanäle im Axon und am Zellkörper reguliert.
Ein Axon funktioniert in seiner Rolle, Aktionspotentiale vom Axonhügel zu den Endpunkten des Axons zu leiten, die als terminale Boutons bezeichnet werden, indem es Kanäle in der Axonmembran öffnet, die positiv geladene Ionen in die Zelle einlassen, sie depolarisieren und spannungsgesteuerte Kanäle verursachen öffnen. Spannungsgesteuerte Kanäle lassen weitere positiv geladene Ionen wie Kalzium und Kalium in die Zelle ein. Wenn eine Zelle ihr Ruhepotential von -70 mV verliert und aufgrund der positiven Ladungen der eintreffenden Ionen depolarisiert wird, „feuert“ sie und setzt Neurotransmitter-gefüllte Vesikel aus den terminalen Boutons am Ende eines Axons frei.
Die Signalausbreitung funktioniert als Ionenkanäle entlang eines Axons, die dazu führen, dass sich andere nahe gelegene Kanäle öffnen, aber diese Signalausbreitung kann sich in die umgekehrte Richtung bewegen und wird in diesem Fall als neuronale Rückausbreitung bezeichnet. Dieser Prozess tritt auf, wenn am Axonhügel ein Aktionspotential ausgelöst wird, das zwar wie üblich das Axon hinuntergeht, aber auch ein Signal in die entgegengesetzte Richtung leitet, wodurch der Zellkörper depolarisiert wird, einschließlich Synapsen und nahegelegener Dendritensegmente. Wenn ein dendritisches Segment depolarisiert wird, reagieren die postsynaptischen Dichten innerhalb dieser Region unterschiedlich auf eingehende Signale von anderen Neuronen. Einige mögliche Folgen der neuralen Backpropagation umfassen Phänomene wie die dendro-dendritische Hemmung und eine Modifikation des Membranpotentials, die die zellulären Feuerungseigenschaften verändern können.
Synaptische Plastizität wie Langzeitpotenzierung (LTP) und Langzeitdepression (LTD) sind mit neuronaler Rückausbreitung verbunden, da ein zurückausbreitendes Signal eingehende Signale modifiziert. Während das Konzept elementar erscheinen mag, ist die Vorstellung, zukünftiges Verhalten basierend auf vergangenen Erfahrungen zu ändern, eine mögliche Definition von Lernen. In gewisser Weise könnte man daher sagen, dass die neuronale Backpropagation einzelnen Zellen ermöglicht, auf molekularer Ebene zu „lernen“. Neurale Backpropagation wird häufig im Neokortex, Hippocampus und anderen Hirnregionen beobachtet, die oft mit Gedächtnis, Lernen oder einem hohen Grad an neuraler Plastizität in Verbindung gebracht werden.