Пакетная передача: ПАКЕТНАЯ ПЕРЕДАЧА ДАННЫХ | Наука и жизнь

Содержание

Пакетная передача данных

Подробности
Родительская категория: Память. Нижний уровень
Категория: КЭШ-память

Пакетная передача данных(Burst Mode) предназначена для быстрых операций со строками КЭШа. Строка КЭШа процессора, например, имеет длину 16 байт, следовательно, для ее пересылки требуется четыре 32-разрядных шинных цикла. В этом режиме адрес и сигналы идентификации типа шинного цикла выдаются только в первом такте пакета. В каждом из последующих тактов могут передаваться данные, адрес для которых уже не передается по шине, а вычисляется из первого такта, по правилам, известным и процессору, и внешнему устройству. В пакетный цикл процессор может преобразовать любой внутренний запрос на множественную передачу.

Пакетный цикл (см. рисунок ниже) начинается процессором так же, как и обычный: на внешней шине устанавливается адрес, сигналы идентификации типа цикла и формируется строб ADS#. В следующем такте передается первая порция данных, и, если она не единственная, сигнал BLAST# имеет пассивное значение.

Если адресованное устройство поддерживает пакетный режим, оно должно ответить сигналом BRDY# вместо сигнала RDY# по готовности данных в первой же передаче данных цикла. В этом случае процессор продолжит цикл как пакетный, не вводя такта адресации-идентификации (с сигналом ADS#), а сразу перейдет к передаче следующей порции данных.

Нормально о завершении пакетного цикла процессор сообщает устройству сигналом BLAST#, который выдается в такте последней передачи пакета. Если у процессора есть намерения собрать пакет, а устройство отвечает сигналом RDY#, данные будут передаваться обычными циклами. Введением сигнала RDY# вместо BRDY# внешнее устройство может в любой момент прервать пакетную передачу, и процессор ее продолжит обычными циклами. В идеальном варианте (без тактов ожидания) для передачи 16 байт в пакетном режиме требуется всего 5 тактов шины вместо восьми, которые потребовались бы при обычном режиме обмена

Временная диаграмма пакетного режима загрузки КЭШ- памяти

Пакетная передача данных предполагает соблюдение одних и тех же правил формирования последующих адресов как процессором, так и внешним устройством (памятью). Во время пакетного цикла процессора старшие биты адреса А[Зl:4] остаются неизменными (как и сигналы идентификации M/IO#, D/C#, W/R#. Изменяться могут только биты А[З:2] и сигналы ВЕ[З:О] (у процессоров с 64-битной шиной данных неизменны А[Зl:5], меняются только А[4:З] и ВЕ[7:0]). Таким образом, один пакетный цикл не может пересекать границу строки КЭШа. Кроме того, имеется специфический порядок следования адресов в пакетном цикле, который определяется начальным адресом пакета (задается процессором) и разрядностью передачи (задается устройством сигналами ВS1б# и ВS8#).

 

Пакетная передача данных. Протоколы TCP/IP

1. Пакетная передача данных Протоколы TCP/IP

НИШ ХБН г.Усть-Каменогорск
Раздел долгосрочного плана: 9.1: Введение
Пакетная передача данных
Протоколы TCP/IP
Садыканова ОО
Учитель информатики

2. Цели урока:  объяснять принцип пакетной передачи данных  описать протоколы сети

ЦО, которые достигаются на данном уроке
(ссылка на УП): 10. 3.1.1 описывать различные
виды компьютерных систем
10.6.1.1 понимать принцип организации
локальных сетей
Цели урока:
объяснять
принцип
пакетной передачи данных
описать протоколы сети
Определите, что лучше:
Интернет или ЛВС
Преимущество
Недостатки
Как происходит передача
данных от одного компьютера
на другой
Основные термины:
Сеть передачи данных — это
совокупность различного программноаппаратного оборудования,
соединенного каналами связи.
Сеть предназначена для передачи
данных.
Данными может быть любая
информация: текст, изображение,
голос, видео и т.д.
Оборудование, используемое в сети
можно разделить на 3 категории:
1) Клиентское оборудование (Клиент) — рабочая станция
(персональный компьютер), ноутбук, телефон, телевизор… Т.е.
любое устройство, которое может сформировать по команде
пользователя или автоматически, запрос на получение информации
из сети, получить ответ на свой запрос и отобразить полученную
информацию в вид, доступный для потребителя информации.

2) Серверное оборудование (Серверы) — это своего рода
хранилища данных, которые получают запросы от Клиентов на
получение нужной им информации, формируют и отправляют
Клиентам ответы на их запросы или передают информацию другим
Серверам для хранения или для передачи другим Клиентам.
3) Сетевое Оборудование — оборудование, которое обеспечивает
передачу информации по сети между Клиентами и Серверами, и
собственно сами каналы связи.
Технология Клиент-Сервер:
Клиент готовит запрос на какой-нибудь Сервер — «Дай мне такую-то
информацию» и передает его Cетевому Оборудованию.
Сетевое Оборудование обеспечивает доставку по сети этого
запроса до указанного Сервера.
Сервер, получив запрос, готовит на него ответ и затем отправляет
его Клиенту.
Клиент, получив ответ, преобразует его в вид, доступный
конечному пользователю.
Такой механизм обмена информацией называется «технологией
клиент-сервер».
При работе по технологии клиент-сервер Клиент является
инициатором передачи данных и может сделать запрос когда ему
вздумается. В перерывах между запросами Клиент может быть
вообще выключенным.
Сервер же, напротив, должен быть включен всегда и должен
постоянно «слушать» сеть — нет ли для него нового запроса от
какого-нибудь Клиента.
Пакетная
передача
данных
Вся информация в сети передается исключительно небольшими порциями пакетами. Любой Клиент и любой Сервер умеют преобразовывать поток
передаваемой информации в набор отдельных пакетов и «склеивать» полученные
пакеты обратно в поток информации.
Обычно размер пакетов в сети небольшой — от нескольких байт до нескольких
килобайт.
Каждый пакет состоит из заголовка и информационной части.
Заголовок — это аналог почтового конверта. В заголовке указывается кому и от
кого этот пакет передан — адрес отправителя пакета и адрес получателя, а также
иная служебная информация, необходимая для успешной «склейки» пакетов
получателем.
В информационной части — собственно сама передаваемая информация.
Адреса отправителя/получателя в заголовке пакета используется Сетевым
Оборудованием для определения — куда какой пакет отправлять.
Применение пакетной передачи данных позволяет строить сеть таким образом,
что маршруты доставки от одной точки сети до другой разных пакетов
информации могут проходить по разным физическим каналам связи и, меняться
в зависимости от их работоспособности или загрузки. Это значительно
увеличивает «живучесть» сети в целом — даже если часть каналов связи будут
неработоспособными, информация все равно может быть доставлена по другим
работающим каналам.
Как происходит передача
данных от одного компьютера
на другой
http://
files.school-collection.edu.ru
/dlrstore/818e5481-5d5d-41fd-8
6ed-85d87dc7aaf7/9_43.swf
Определить различие между
IP-адресом и URL-адресом
IP-адрес
173.194.222.106
IP-адрес
173.194.222.106
URL-адрес
ttps://www.google.kz/
Как определить IP-адрес
Запустить командную строку
нопка Win → Набрать команду Cmd
Набрать команду Ping и указать U
Как определить IP-адрес
Что такое «протокол»
Какие протоколы сети вы
знаете
Протоколы
HTTP
FTP
TCP/IP

17.

Сетевым протоколом называется набор правил, позволяющий осуществлять соединение и обмен данными между двумя и более включёнными Сетевым
протоколом
Протокол
называется набор правил,
позволяющий осуществлять
соединение и обмен данными
между двумя и более
включёнными в сеть
компьютерами. Фактически
разные протоколы зачастую
описывают лишь разные
HTTP:
Протокол HTTP (Hypertext Transfer Protocol — Протокол передачи
гипертекста)
протокол службы WWW. Это протокол передачи и отображения
гипертекста, то есть web-страниц. Он дает возможность с
помощью специальных программ-браузеров получать и
просматривать web-страницы.
Http является протоколом более высокого уровня по отношению к
протоколу TCP/IP — протоколом уровня приложения. HTTP был
разработан для эффективной передачи по Интернету Webстраниц. Именно благодаря HTTP мы имеем возможность
открывать страницы Сети. Протокол HTTP является основой
системы World Wide Web.
Вы отдаете команды HTTP, используя интерфейс браузера,
который является HTTP-клиентом. При щелчке мышью на ссылке
браузер запрашивает у Web-сервера данные того ресурса, на
который указывает ссылка — например, очередной Web-страницы.
Чтобы текст, составляющий содержимое Web-страниц,
отображался на них определенным образом — в соответствии с
замыслом создателя страницы — он размечается с помощью
FTP:
Протокол FTP (File Transfer Protocol)
— протокол передачи файлов. Он дает
возможность передавать файлы
различных форматов из FTP-сервера
на компьютер пользователя или
наоборот.
TCP/IP:
TCP (Transfer Control Protocol) – протокол
управления передачи данных. Он определяет
правила разбития информации на пакеты
определенного размера и формата, их доставку к
адресату определенными маршрутами и
объединение пакетов в одно целое.
IP (Internet Protocol) – протокол межсетевого
взаимодействия. Он дает возможность корректно
передавать информацию между компьютерами,
которые имеют разную архитектуру и разные
операционные системы.
Ответьте на вопросы:
Что такое…
пакетная передача
адреса TCP/IP
узлы
статические и
динамические адреса
веб-сервер
веб-клиент
для чего нужны протоколы

Пакетная передача данных. От «ГлобалТел»

Анна Назарова
© ComNews
28.09.2004

Спутниковый оператор «ГлобалТел», представляющий в России интересы сети  спутниковой связи GlobalStar, начал предоставлять услугу «Пакетная передача данных» (ППД). Введение услуги в коммерческую эксплуатацию открывает новые возможности для абонентов компании, в частности, позволяет осуществлять доступ к сети Интернет и другим сетям с коммутацией пакетов.

Система GlobalStar с помощью 48 низкоорбитальных спутников обеспечивает покрытие практически всей поверхности Земного шара между 74° северной и южной широты. В настоящее время услуги связи системы Globalstar предоставляются более чем в 100 странах мира. Российский сегмент системы GlobalStar (РССГ) – это мультисервисная спутниковая мобильная сеть ЗАО «ГлобалТел». Единая тарифная зона обслуживания РССГ охватывает территорию 11 стран, включая северные и восточные моря, часть акватории Тихого океана.

Мультисервисная сеть «ГлобалТел» интегрирована в телефонную сеть общего пользования (ТФОП) России с федеральным кодом 954. Через магистральную сеть «Ростелекома» и «Межрегионального ТранзитТелекома» (МТТ) РССГ обеспечивает двусторонний роуминг с сотовыми сетями. Ведомственные и корпоративные сети связи сопрягаются с РССГ через магистральную сеть «Ростелекома» по общим каналам ТФОП или по выделенным каналам напрямую к станциям сопряжения.

После выхода в Интернет абонент «ГлобалТел» может воспользоваться знакомыми ему приложениями — WEB-браузеры, почтовые и FTP-клиенты. При этом возможно: просматривать Интернет; работать с электронной почтой; передавать и получать данные с других ПК, работающих с абонентскими терминалами (АТ) в пакетном режиме; получать доступ к своей корпоративной сети и работать удаленно на домашнем ПК; передавать-принимать информацию с удаленных серверов по протоколу FTP; устанавливать «спящий» режим в момент пауз передачи данных, когда тарификация приостанавливается.

Весь этот спектр услуг пакетной передачи данных в системе GlobalStar обеспечивает работу со скоростью  7-8 кбит/с. Тариф на услугу пакетной передачи данных  ГлобалТел составляет $0,25 (с интервалом тарификации 15 сек),  время установки соединения (2-5 сек.)  не тарифицируется.

При пакетной передаче данных в системе «Глобалстар» дополнительно реализуется, так называемый, «спящий» режим (dormant mode), когда через предустановленный интервал времени после прекращения активности выключается радиоканал и тарификация, но при этом сервер станции сопряжения сохраняет IP-адрес абонента и соединение восстанавливается при возобновлении передачи данных.

Услуга пакетной передачи данных в системе спутниковой связи GlobalStar предоставляется абонентам, эксплуатирующим абонентские терминалы Qualcomm GSP1600, модемы GSP1620 и производимые на базе этих моделей: морские терминалы GSP2800M; 1- канальные корпусные модемы GSP1620х1; 2-х, 4-х, 8-канальные корпусные модемные пулы GSP1620x2, x4, x8.

Досье ComNews.ru 

ЗАО «ГлобалТел» — оператор глобальной мобильной и стационарной мультисервисной спутниковой системы связи GlobalStar в России. Создан в 1996 г. Учредителями компании являются оператор международной и междугородной связи в России ОАО «Ростелеком» и международный консорциум, созданный корпорацией Loral Space & Communications (Нью-Йорк) и компанией Qualcomm (Сан-Диего) — компания GlobalStar L.P. В мае 1997 г. между Globalstar L.P. и ЗАО «ГлобалТел» было подписано соглашение, по условиям которого ЗАО «ГлобалТел» получило эксклюзивные права на предоставление услуг GlobalStar на территории России. С ноября 2000 г. осуществляется полная коммерческая эксплуатация системы GlobalStar на всей территории РФ. В настоящее время компания «ГлобалТел» обслуживает около 17 тыс. абонентов, которым  доступны 26 видов услуг связи и 14 различных моделей спутниковых абонентских терминалов. Мультисервисная сеть «ГлобалТел» интегрирована в телефонную сеть общего пользования России с федеральным кодом 954. Через магистральную сеть «Ростелекома» и «Межрегионального ТранзитТелекома» (МТТ) эта сеть обеспечивает двусторонний роуминг с сотовыми сетями.


Лекция 4

Лекция 4

Лекция 4

Коммутация пакетов

Под коммутацией в сетях передачи данных понимается совокупность операций, обеспечивающих в узлах коммутации передачу информации между входными и выходными устройствами в соответствии с указанным адресом.

При коммутации пакетов (КП) передаваемое сообщение разбивается на меньшие части, называемые пакетами, каждый из которых имеет установленную максимальную длину. Пакеты снабжаются служебной информацией, необходимой для доставки пакета, и передаются по сети.

Каждый пакет снабжается следующей служебной информацией (заголовком):

  • коды начала и окончания пакета,
  • адреса отправителя и получателя,
  • номер пакета в сообщении,
  • информация для контроля достоверности передаваемых данных в промежуточных узлах связи и в пункте назначения.

Множество пакетов одного и того же сообщения может передаваться одновременно. Приемник в соответствии с заголовками пакетов выполняет сборку пакетов в исходное сообщение и отправляет его получателю. Благодаря возможности не накапливать сообщения целиком, в узлах коммутации не требуется внешних запоминающих устройств, следовательно, можно вполне ограничиться оперативной памятью, а в случае ее переполнения использовать различные механизмы задержки передаваемых пакетов в местах их генерации.

Части одного и того же сообщения могут в одно и то же время находиться в различных каналах связи, более того: когда начало сообщения уже принято, его конец отправитель может еще даже не передавать в канал.

При пакетной коммутации приходится находить компромиссное решение, удовлетворяющее двум противоречивым требованиям:
— уменьшение задержки пакета в сети, обеспечиваемое уменьшением его длины;
— обеспечение повышения эффективности передачи информации, достигаемое, наоборот, увеличением длины пакета (при малой длине пакета длина его заголовка становится неприемлемо большой, что снижает экономическую эффективность передачи).

В сети с пакетной коммутацией максимальный размер пакета устанавливается на основе 3-х факторов:
— распределение длин пакетов,
— характеристика среды передачи (главным образом, скорость передачи),
— стоимость передачи.
Для каждой передающей среды выбирается свой оптимальный размер пакета.

Процесс передачи данных в сети с коммутацией пакетов

Процесс передачи данных в сети с КП можно представить в виде следующей последовательности операций:

  • вводимое в сеть сообщение разбивается на части — пакеты, содержащие адрес конечного пункта получателя;
  • в узле КП пакет запоминается в оперативной памяти (ОЗУ) и по адресу определяется канал, по которому он должен быть передан;
  • если этот канал связи с соседним узлом свободен, то пакет немедленно передается на соседний узел КП, в котором повторяется та же операция;
  • если канал связи с соседним узлом занят, то пакет может какое-то время храниться в ОЗУ до освобождения канала;
  • сохраняемые пакеты помещаются в очередь по направлению передачи, причем длина очереди не превышает 3-4 пакета; если длина очереди превышает допустимую, пакеты стираются из ОЗУ и их передача должна быть повторена.

Пакеты, относящиеся к одному сообщению, могут передаваться по разным маршрутам в зависимости от того, по какому из них в данный момент они с наименьшей задержкой могут пойти к адресату. В связи с тем, что время прохождения по сети пакетов одного сообщения может быть различным (в зависимости от маршрута и задержки в узлах коммутации), порядок их перехода к получателю может не соответствовать порядку пакетов.

Методы пакетной коммутации

Существует два метода пакетной коммутации: дейтаграммный (датаграммный) и способ виртуальных соединений.

Дейтаграммный метод

Этот метод эффективен для передачи коротких сообщений. Он не требует громоздкой процедуры установления соединения между абонентами.

Термин «дейтаграмма» (датаграмма, datagram) применяют для обозначения самостоятельного пакета, движущегося по сети независимо от других пакетов. Пакеты доставляются получателю различными маршрутами. Эти маршруты определяются сложившейся динамической ситуаций на сети. Каждый пакет снабжается необходимым служебным маршрутным признаком, куда входит и адрес получателя.

Пакеты поступают на прием не в той последовательности, в которой они были переданы, поэтому приходится выполнять функции, связанные со сборкой пакетов. Получив дейтаграмму, узел коммутации направляет ее в сторону смежного узла, максимально приближенного к адресату. Когда смежный узел подтверждает получение пакета, узел коммутации стирает его в своей памяти. Если подтверждение не получено, узел коммутации отправляет пакет в другой смежный узел, и так до тех пор, пока пакет не будет отправлен.

Все узлы, окружающие данный узел коммутации, ранжируются по степени близости к адресату, и каждому присваивается 1, 2 и т.д. ранг. Пакет сначала посылается в узел первого ранга, при неудаче — в узел второго ранга и т. д. Эта процедура называется алгоритмом маршрутизации. Существуют алгоритмы, когда узел передачи выбирается случайно, и тогда каждая дейтаграмма будет идти по случайной траектории.

Виртуальный метод

Этот метод предполагает предварительное установление маршрута передачи всего сообщения от отправителя до получателя с помощью специального служебного пакета — запроса вызова.

Для этого пакета выбирается маршрут, который в случае согласия получателя этого пакета на соединение закрепляется для прохождения по нему всего трафика. Пакет запроса на соединение как бы прокладывает через сеть путь , по которому пойдут все пакеты, относящиеся к этому вызову.

Метод называется виртуальным потому, что здесь не коммутируется реальный физический тракт (как, например, в телефонной сети), а устанавливается логическая связка между отправителем и получателем, — т.е. коммутируется виртуальный (воображаемый) тракт.

В виртуальной сети абоненту-получателю направляется служебный пакет, прокладывающий виртуальное соединение. В каждом узле этот пакет оставляет распоряжение вида: пакеты k-го виртуального соединения, пришедшие из i-го канала, следует направлять в j-й канал. Тем самым виртуальное соединение существует только в памяти управляющего компьютера. Дойдя до абонента-получателя, служебный пакет запрашивает у него разрешение на передачу, сообщив, какой объем памяти понадобится для приема. Если его компьютер располагает такой памятью и свободен, то посылается согласие абоненту-отправителю на передачу сообщения. Получив подтверждение, абонент-отправитель приступает к передаче сообщения обычными пакетами.

Пакеты беспрепятственно проходят друг за другом по виртуальному соединению и в том же порядке попадают абоненту-получателю, где, освободившись от заголовков и концевиков, образуют передаваемое сообщение.

Виртуальное соединение может существовать до тех пор, пока отправленный одним из абонентов специальный служебный пакет не сотрет инструкции в узлах.

Режим виртуальных соединений эффективен при передаче больших массивов информации.

Преимущества режима виртуальных соединений перед дейтаграммным заключается в обеспечении упорядоченности пакетов, поступающих в адрес получателя, и сравнительной простоте управления потоком данных вдоль маршрута в целях ограничения нагрузки в сети, в возможности предварительного резервирования ресурсов памяти на узлах коммутации.

К недостаткам следует отнести отсутствие воздействия изменившейся ситуации в сети на маршрут, который не корректируется до конца связи. Виртуальная сеть в значительно меньшей степени подвержена перегрузкам и зацикливанию пакетов, за что приходится платить худшим использованием каналов и большей чувствительностью к изменению топологии сети.

Сайт управляется системой uCoz

Статические маршруты и пакетная передача

Рассмотрим пример процесса передачи пакета со статическими маршрутами.

Как можно видеть, PC1 отправляет пакет PC3:

1. Пакет прибывает на интерфейс FastEthernet 0/0 R1.

2. У R1 нет определенного маршрута к целевой сети, 192.168.2.0/24; поэтому, R1 использует статический маршрут по умолчанию.

3. R1 инкапсулирует пакет в новый кадр. Поскольку связь до R2 является связью точка-точка, R1 добавляет адрес «все 1-цы» в качестве адреса получателя Уровня 2.

4. Кадр передается последовательный интерфейсу 0/0/0. Пакет прибывает на Последовательный интерфейс 0/0/0 на R2.

5. R2 декапсулирует кадр и ищет маршрут к месту назначения. У R2 есть статический маршрут к 192.168.2.0/24 через Serial0/0/1.

6. R2 инкапсулирует пакет в новый кадр. Поскольку связь до R3 является связью точка-точка, R2 добавляет адрес «все 1-цы» в качестве адреса получателя Уровня 2.

7. Кадр передается интерфейсу Serial0/0/1. Пакет прибывает на интерфейс Serial0/0/1 маршрутизатора R3.

8. R3 декапсулирует кадр и ищет маршрут к месту назначения. У R3 есть соединенный маршрут к 192.168.2.0/24 через FastEthernet 0/1.

9. R3 ищет запись таблицы ARP для 192.168.2.10, чтобы найти MAC-адрес Уровня 2 для PC3.

a. Если запись не существует, R3 отправляет запросу ARP на FastEthernet 0/0.

b. PC3 отвечает ответом ARP, который включает MAC-адрес PC3.

10. R3 инкапсулирует пакет в новом кадре с MAC-адресом интерфейса FastEthernet 0/0 как исходного адреса Уровня 2 и MAC-адресом PC3 как целевого MAC-адреса.

11. Кадр передается интерфейсу FastEthernet 0/0. Пакет прибывает на интерфейс NIC PC3.

Этот процесс не отличается от процесса, демонстрируемого в первой рубрике. Как там было было сказано, необходимо быть в состоянии описывать этот процесс подробно. Знание, как маршрутизатор выполняет две своих базовых функции-определение пути и пакетную передачу — является фундаментальным для всех обсуждений маршрутизации.

Далее: Конечный автомат DUAL (FSM)

Протокол Wireshark-TCP + пакетная передача

Вопрос: Предполагая, что через tcp передается 3000 байтов данных, как они передаются с машины A на машину B?

TCP Transmission.png

Предположим теперь, что машина A хочет отправить 3000 байтов данных машине B

    1. Во-первых, данные будут 3000 байт данных от прикладного уровня A до транспортного уровня.
    1. После того, как транспортный уровень A получит его, A и B устанавливают трехстороннее рукопожатие. Во время процесса размер MSS равен 1460, а размер окна B равен 2920.
    1. На основе информации, полученной в ходе согласования, A делит 3000 байтов на 3 пакета размером 1460, 1460 и 80 соответственно.
    1. Поскольку размер окна B составляет 2920, одновременно можно передавать максимум 2 пакета, а третий пакет 80 должен передаваться отдельно.
    1. A бросает 2 пакета на сетевой уровень
    1. A передает данные через сетевой уровень, а уровень канала данных передает B
    1. B читать данные с сетевого уровня на транспортный уровень
  • Повторите шаги с 5 по 7, пока не будут переданы 3 пакета, а затем отправьте данные на уровень приложения.

Здесь 2–4 отражают «управляющий» механизм транспортного уровня.

Раздвижное окноВы можете обратиться к этой статье, чтобы понять

  • Почему здесь раздвижное окно? Какая проблема решилась?
  • Каков принцип работы раздвижного окна?
  • Что делать, если произошла ошибка передачи данных? Как ретранслировать? Какова функция кеша A?
  • A быстро, B медленно, A передает на B, что мне делать, если в B появляется окно 0? Есть ли какие-то влияния?
  • Будет ли постоянно меняться размер окна?
  • Что такое централизованное подтверждение? Появиться в этой сцене?
  • Как запускается быстрая ретрансляция?
    Предполагая, что передаются три пакета, второй пакет теряется во время передачи:
    • Отправлен первый пакет A, подтверждение — 100
    • B возвращает ack = 1100
    • Второй пакет A потерян, и третий пакет A также достиг B
    • На этом этапе, после того как B получит третий пакет A, какое подтверждение должно быть возвращено A?
    • В этом случае подтверждение, которое B отвечает на A, равно 1100, что является значением подтверждения, которое было ответом на первый пакет, потому что B не получил второй пакет A.
    • В это время A передает 5-й пакет, 6-й пакет, и полученное подтверждение все еще равно 1100
    • В это время полученные подтверждения A 3 последовательных подтверждения равны 1100 и A до тех пор, пока его второй пакет не будет потерян, поэтому срабатывает механизм быстрой повторной передачи.
    • После того, как A повторно передает второй пакет, какое подтверждение B должен ответить A? (Это seq + len пятого пакета), почему?

Fast retransmission.png

Механизм контроля потока

  • Коэффициент окна

Механизм контроля перегрузки

  • Разница между окном перегрузки и скользящим окном

  • Почему есть окно скопления

    • Предположим, что окно перегрузки b равно 3000, и a отправляет данные на b.
      1) сначала отправляет пакет 1000 на b
      2) В это время окно, которое a получает b, равно 3000
      3) Затем, если a отправляет 3000 пакетов в b немедленно, может показаться, что b не завершил обработку в последний раз.
      1000 пакетов, поэтому 3000 + 1000 больше, чем производительность обработки b, и 1000 из 3000 можно отбросить.
      4) Из-за этой проблемы в a есть окно управления перегрузкой.
      5) Окно управления перегрузкой, a отправляет не полные данные на b немедленно, а предварительную передачу, например, отправку пакета первым и получение подтверждения другой стороны, размер окна перегрузки. Увеличивайте на 1, добавляйте 1 для каждого подтверждения и так далее, постепенно увеличивая окно перегрузки.
      6) Когда окно перегрузки больше скользящего окна, получатель теряет пакеты, и повторная передача происходит сверхурочно. Сверхурочная повторная передача требует повторного установления TCP.
      подключен.
    1. Чтобы уменьшить потребление, вызванное повторной передачей тайм-аута, существует концепция порога медленного запуска.
      8) Порог медленного запуска позволяет избежать того, чтобы окно перегрузки было больше, чем скользящее окно. Алгоритм такой: 2 раза больше окна сообщения / перегрузки. когда
      Когда значение ниже порога, оно будет увеличиваться на 1 мсек каждый раз, а выше порога оно будет увеличиваться каждый раз на 2 мсш / байт окна перегрузки, поэтому порог превышен.
      Чем больше значение , тем медленнее увеличивается окно перегрузки.
      Порог медленного запуска отсутствует в начале, но только после истечения тайм-аута повторной передачи. Порог в настоящее время — тайм-аут
      threshold / 2.
  • Таймаут повторной передачи: необходимо восстановить TCP-соединение! —-> Например, окно перегрузки больше, чем скользящее окно.

  • Быстрая повторная передача: нет необходимости повторно устанавливать TCP-соединение! —> Например, в случае потери пакета и повторной передачи

tcp congestion window.png

Алгоритмы улучшения использования сети

  • алгоритм нагла
  • Отложенное подтверждение
  • Жду ответа

Sack

механизм мешка 1.png

Настройка TCP

[Загрузка изображения . .. (Настройка сети 02.png-48baa5-1546244600299-0)]

Настройка сети 02.png

Настройка сети 04.png

Network Tuning 05.png

Пакетный обмен данными по UART / Хабр

Введение

На сегодняшний день существует много способов организовать обмен данными между Desktop-приложением и устройствами на микроконтроллерах: Wi-Fi, Bluetooth, RF, USB, преобразователи интерфейсов и т.д.

В большинстве из вышеперечисленных вариантов реализован пакетный обмен данными между хостом и устройством. Передаваемые данными с гарантией целостности и доставки будут переданы от передатчика к приемнику.

В случае использования интерфейсов RS-232, RS-485, RS-422 или чистого UART организация пакетного обмена данными ложится на программиста.

В данной статье я хотел бы рассказать о своей реализации обмена данными между устройствами

Постановка задачи

Нужно отправить из Qt-приложения пакет данных на устройство с микроконтроллером STM8. К компьютеру присоединён USB-RS485 преобразователь, а на устройстве соответственно преобразователь RS485-UART. Нужно учесть, что на линии связи возможен высокий уровень помех. В этой ситуации было принято решение написать быструю и легкую библиотеку для гарантии целостности принятых данных. *Гарантию доставки данных брала на себе бизнес-логика. Библиотеку решил назвать Sheller.

Требования к разрабатываемой библиотеки были следующие:

  • Фиксированная длинна пакета: количество байт, которые пользователь хочет передать не влияют на общую длину пакета, она остается фиксированной;

  • Минимальное количество внутренних буферов;

  • Наличие надежной, быстровычисляемой контрольной суммы;

  • Побайтного занесения данных;

  • Возможность работы в условиях поврежденных и потерянных байт в пакете;

Выполнение задачи

Принцип работы: определимся с понятием пакета. Пакет представляет собой стартовый байт, данные пользователя и два байта контрольной суммы CRC-16:

В начале использовался алгоритм контрольной суммы CRC8, однако в ходе тестов было выяснено, что при длине пакета в 8 байт количество коллизий было слишком высоким. Тест заключался в следующем: некоторые пакеты специально отправлялись битыми (менялись значения или вовсе удалялся байт из пакета). В итоге на каждый 50000й пакет происходила коллизия CRC и неправильный пакет передавался в бизнес-логику.

Первый случай коллизии происходил, когда значения байтов в пакете были изменены таким образом, что их контрольная сумма осталась прежней:

А во втором случае часть побитого пакета с частью целого пакета соединялись в один пакет, который проходил по контрольной сумме:

*Красной чертой обозначен пакет, последние байты которого не дошли до приемника. Зеленой чертой показан нормальный пакет. Синей чертой изображен пакет, который был отправлен в бизнес-логику.

Поэтому было принято решение перейти на CRC16. При запуске тоже теста было пройдено более 2млн пакетов без коллизий и тест был завершен удачно. Вычисление контрольной суммы происходит по табличному методу для ускорения работы.

В качестве StartByte используется значение 0x23. С помощью этого числа парсер делает предположение, что с этого места начинается пакет. Далее парсер проверяет количество байт в буфере и если их столько же или больше чем длинна пакета, то производится подсчет контрольной суммы. Если подсчитанная и принятая контрольные суммы совпадают, то пакет выдается и бизнес логику приложения.

При приеме байтов мы записываем их в циклический буфер, в основном я это делаю в обработчике прерывания принятого байта.

Работу всей библиотеки можно описать следующей схемой:

Данная библиотека реализована на Си и на C++. C++ версия предназначена в основном для Arduino.

Для проверки работы Sheller на микроконтроллере был написан ShellerTerminal:

*представляет собой обычный COM-port терминал с использованием алгоритма Sheller.

Информацию по использованию библиотеку вы можете найти на GitHub.

P.S. Библиотека разрабатывалась для работы на ATMEL и STM8.

Пакетная передача

  • Изохронная пакетная передача — способ передачи данных. В сети передачи данных, где скорость канала передачи информации выше, чем скорость передачи входных данных, передача осуществляется путем прерывания через контролируемые интервалы передаваемого потока данных.… …   Wikipedia

  • Пакетный — может означать: *Пакетный режим, режим работы, при котором события происходят в быстрой последовательности **Пакетная передача, термин в телекоммуникациях **Пакетная коммутация, особенность некоторых сетей с коммутацией пакетов сигнальный режим нейронов*Burst… …   Wikipedia

  • Пакетный режим — может означать: * Пакетный режим (вычисления), компьютерный термин, обозначающий повторную передачу данных устройством без ожидания дополнительного ввода.*Режим очереди (огнестрельное оружие), режим стрельбы, позволяющий произвести заранее определенное количество выстрелов из… …   Wikipedia

  • пакетный режим —    Метод передачи данных, при котором информация собирается и затем отправляется за одну высокоскоростную передачу, а не по одному пакету или символу за раз. Системы, использующие мультиплексоры для обслуживания нескольких каналов, часто используют пакетный режим…  Сетевой словарь

  • Часы в пакетном режиме и восстановление данных — Пассивная оптическая сеть (PON) использует древовидную топологию сети.Из-за топологии PON режимы передачи для нисходящего (т. е. от терминатора оптической линии, OLT к оптическому сетевому блоку, ONU) и восходящего (т. е. от ONU к OLT)… …   Wikipedia

  • Пакетная коммутация — В сети с коммутацией пакетов пакетная коммутация — это возможность, при которой каждый сетевой коммутатор извлекает инструкции маршрутизации из заголовка входящего пакета, чтобы установить и поддерживать соответствующее соединение коммутатора на протяжении всего пакета,… …   Википедия

  • Протокол управления передачей — TCP (протокол управления передачей) Семейство: Internetprotokollfamilie Einsatzgebiet: Zuverlässiger bidirectionaler Datentransport TCP im TCP/IP‑Protokollstapel: Anwendung HTTP SMTP …   Deutsch Wikipedia

  • пакетный режим —    Передача больших объемов данных большими непрерывными блоками по каналу, который используется исключительно для передачи …   Глоссарий ИТ-терминов, акронимов и сокращений

  • серийный режим — ● ►ru loc.м. ►DISQUE►ARCHI Метод обеспечения непрерывной передачи информации между двумя элементами в неустановленном порядке, et permettant (principalement) au processeur de recevoir les données sans wait state (état d attente, du temps perdu, en… …   Dictionnaire d’informatique francophone

  • Связь метеорных всплесков — Распространение метеорного рассеяния, используемое SNOTEL. … …   Википедия

  • Пакетные энкодеры

    Высокоскоростные кодировщики данных

    Во время Второй мировой войны а также во время холодной войны, секретные агенты, действующие на вражеской территории широко используемые тайные передатчики отправлять сообщения в шпионский центр в своей стране через коротковолновые радиодиапазоны (КВ или ВЧ), используя азбука Морзе.Поскольку противник постоянно пытался перехватить такие сообщения и определить местоположение неавторизованного передатчика с помощью Радиопеленгация (RDF), нужно было быть в эфире как можно меньше и короче. Это также было необходимо для эффективного использования ограниченного частотный спектр, который был доступен.


    За прошедшие годы были разработаны различные системы для снижения длина сообщения.Одним из широко используемых методов была замена длинных предложения и часто используемые выражения по заданному коду. Примерами таких коротких сообщений являются международные Q-коды и использование различных военных и гражданских кодовые книги.

    Как холодная война прогрессировала, необходимость отправлять все больше и больше сообщений постепенно увеличивалась, и приходилось разрабатывать новые методы, чтобы избежать обнаружения. Это привело к разработке высокоскоростных ключей Морзе. и Пакетные кодеры .

      

    Burst Encoder — это устройство, которое позволяет сохранять сообщения. сначала на носителе записи.Затем предварительно записанное сообщение передается по воздуху на очень высокой скорости с использованием высокоскоростного ключа . Для этого был разработан широкий спектр решений с использованием различных носителей, таких как бумага, аудиокассета, металлическая лента, механические барабаны, стержни, фотопленка и, наконец, микросхемы электронной памяти.

    Сообщения, отправленные таким образом, часто звучат как короткий сигнал или пакетная передача , поэтому она называется пакетной передачей . В этой части сайта описывается ряд решений, которые были разработан для высокоскоростной пакетной передачи сообщений.Используйте кнопки слева, проверьте индекс пакетных кодировщиков или щелкните любую из миниатюр ниже для получения дополнительной информации о конкретном устройстве.

    ➤ Индекс пакетных энкодеров


    За прошедшие годы Центральное разведывательное управление США (ЦРУ) разработало впечатляющий ассортимент импульсных кодировщиков для различных радиостанций и приложений. Эти кодировщики обычно обозначались буквами «CK» для «Coder/Keyer».Некоторые из них также использовались армией под другим обозначением. В настоящее время известны следующие кодировщики пакетов CIA [1]:

    7
    • CK-7

    • CK-7

      1959

      Код / Клеймер (Военные: AN / UGT-1)
    • CK-8

      1959

      Код / Клеймер (Военные: AN / GRA-71)
    • CK-12

      1960

      CODER / KEYER (используется с RT-6)
    • CK-100

      1964

      Coder / Keyer (специальная версия CK-8)
    • CK-30

      1965

      CODER / KEYER (совместимый С RT-49)
    • CK-34

      CK-34

      1965

      CODER / KEYER (используется с AS-12)
    • CK-36

      1966

      Coder / Keyer (используется с трансивером ASR-100)
    • CK -33

      1970

      1970

      Morse Coder / killer (киноанализированные)
    • CK / A-33

      1973

      Baudot версия CK-33
    • CK-42

      1974

      Budot Coder / Keyer со встроенным в шифровании
    • CK-43

      900 03 1973

      Кодер/ключ Бодо со встроенным шифрованием
    • CK-45

      1973

      Кодер/ключ Морзе (совместим с ➤ RS-59)
    Кодировщики пакетов известны под следующими именами

    • Bursting Encoder
    • Bread Transmentitter
    • Busp Code
    • Swing Coder
    • Coder / keyer
    • Высокоскоростной передатчик взрывки
    • высокоскоростной MORSE передатчик
    • высокоскоростной клавиш
    • MORSE BURST-KEYER
    • Squirt
    • Струйный передатчик
    Все ссылки, выделенные красным цветом, в настоящее время недоступны.Если вам нравится информация на этом сайте, почему бы не сделать пожертвование?
    Музей криптографии. Создано: понедельник, 3 августа 2009 г. Последнее изменение: пятница, 18 февраля 2022 г., 16:18 CET.

    Боковая крышка пакетной передачи — 34800012

  • Рекомендуемое топливо с октановым числом 91 (95 RON) или выше (R+M)/2.

  • Указанные значения являются номинальными.Производительность может различаться в зависимости от страны и региона.

  • Стандартные и дополнительные топливные системы могут различаться в зависимости от страны.

  • Полную информацию см. в руководстве по эксплуатации мотоцикла.

  • Оценено по результатам испытаний на экономию топлива на образце мотоцикла соответствующего семейства, проведенных Harley-Davidson в идеальных лабораторных условиях.Не все модели мотоциклов проходят испытания на экономию топлива. Экономия топлива и пробег могут варьироваться в зависимости от модели мотоцикла в семье. Ваш пробег может варьироваться в зависимости от ваших личных привычек вождения, погодных условий, продолжительности поездки, состояния и конфигурации автомобиля и других условий. Обкаточный пробег может варьироваться.

  • Указанные цены являются рекомендуемыми розничными ценами производителя для базовых моделей. Такие параметры, как цвет, доступны за дополнительную плату.Цены не включают налоги, право собственности, лицензирование, регистрационные сборы, сборы за место назначения, надбавки (относящиеся к стоимости сырья в цепочке поставок продукта), дополнительные аксессуары и дополнительные дилерские сборы, если таковые имеются, и могут быть изменены. Harley-Davidson возмещает дилерам расходы на выполнение предпродажной проверки и настройки, указанных производителем. Цены у дилеров могут отличаться.

  • Измерение отражает 180 фунтов.(81,7 кг) вес оператора.

  • Система безопасности Северной Америки включает иммобилайзер; за пределами Северной Америки система безопасности включает иммобилайзер и сирену.

  • Стандартные и дополнительные колеса могут различаться в зависимости от страны и региона.

  • Предложение по финансированию доступно только для новых мотоциклов Harley‑Davidson®, финансируемых через Eaglemark Savings Bank (ESB), и подлежит одобрению кредита.Не все претенденты будут соответствовать требованиям. Предложение 3,49% годовых доступно на новые мотоциклы Harley‑Davidson® для клиентов с высоким кредитным уровнем в ESB и только на срок до 60 месяцев. Годовая процентная ставка может варьироваться в зависимости от прошлой кредитной деятельности заявителя и срока кредита. Например, мотоцикл Road Glide® Limited 2022 года выпуска в цвете Vivid Black с рекомендованной производителем розничной ценой 28 729 долларов США, отсутствием первоначального взноса и суммой финансирования в размере 28 729 долларов США, сроком погашения 60 месяцев и годовой процентной ставкой 3,49% приводит к ежемесячным платежам в размере 522,50 долларов США. В этом примере покупатель несет ответственность за применимые налоги, право собственности, лицензионные сборы и любые другие сборы или сборы во время продажи.Годовая процентная ставка рассчитывается по методу простых процентов. Не действует в сочетании с другими предложениями. Могут применяться другие положения, условия и ограничения. Участие дилера может варьироваться. Предложение о финансировании может быть изменено или отменено в любое время. Подробную информацию можно получить у официального дилера Harley‑Davidson®.

  • Предложение о финансировании доступно для подержанных мотоциклов Harley‑Davidson®, финансируемых через Eaglemark Savings Bank (ESB), и подлежит одобрению кредита.Не все претенденты будут соответствовать требованиям. Предложение со скидкой 4,49% годовых доступно на подержанные мотоциклы Harley‑Davidson® для клиентов с высоким кредитным уровнем в ESB и только на срок до 60 месяцев. Годовая процентная ставка может варьироваться в зависимости от прошлой кредитной деятельности заявителя и срока кредита. Например, модель Softail® Deluxe 2015 года в цвете Vivid Black с продажной ценой 17 845 долларов США, без первоначального взноса и суммой финансирования в размере 17 845 долларов США, сроком погашения 60 месяцев и годовой процентной ставкой 4,49 % приводит к ежемесячным платежам в размере 332,60 долларов США. В этом примере ответственность несет клиент. для применимых налогов, права собственности, лицензионных сборов и любых других сборов или сборов на момент продажи.Годовая процентная ставка рассчитывается по методу простых процентов. Не действует в сочетании с другими предложениями. Могут применяться другие положения, условия и ограничения. Участие дилера может варьироваться. Предложение о финансировании может быть изменено или отменено в любое время. Подробную информацию можно получить у официального дилера Harley‑Davidson®.

  • 1. Покупатель («Покупатель») должен приобрести новый или подержанный мотоцикл Harley-Davidson Sportster 2013 модельного года или новее, доступный и имеющийся на складе, участвующий в акции U.Дилер S. H-D («Соответствующий мотоцикл») с 1 февраля 2019 г. по 31 августа 2019 г. («Период продаж»).
    2. Покупатель, приобретающий отвечающий требованиям мотоцикл в течение периода распродажи, имеет возможность обменять отвечающий требованиям мотоцикл по первоначальной покупной цене на покупку нового незарегистрированного мотоцикла Harley-Davidson Touring 2017, 2018, 2019 или 2020 модельного года. , Trike, Softail, Dyna, Sportster, Street или Special 3. Edition/Shrine Big Twin мотоцикл («Мотоцикл, пригодный для обмена»). Предложение ограничено одной заявкой на соответствующий VIN.Исключая полицейские модели.
    Обмен должен произойти не позднее 31 августа 2020 г. («Период обмена»).
    4. Клиенты должны воспользоваться предложением в том же дилерском центре H-D, где была совершена покупка мотоцикла, отвечающего требованиям. Определенные исключения применяются к клиентам, которые переезжают в течение периода Trade-Up. Для получения подробной информации обратитесь к дилеру H-D.
    5. Чтобы претендовать на это предложение, владелец должен иметь оригинал купчей и право собственности на имя первоначального владельца в качестве действительного доказательства покупки соответствующего нового мотоцикла во время сдачи в аренду.
    6. Первоначальная цена покупки не включает налоги, право собственности, регистрацию, лицензионные сборы, государственные пошлины, запчасти и аксессуары, дилерские сборы за установку/подготовку/фрахт, дополнительные продукты (например, расширенные планы обслуживания, GAP, покрытие колес и шин) , и т. д.) и другие надстройки дилера, независимо от фактически уплаченной суммы.
    7. Предложение распространяется только на Отвечающие требованиям мотоциклы, представленные для обмена на новый, незарегистрированный Отвечающий требованиям мотоцикл более высокой стоимости и другой модели. Предложение ограничено одной заявкой на соответствующий VIN.Предложение ограничено одной претензией на клиента.
    8. Покупатель несет ответственность за разницу между стоимостью мотоцикла, участвующего в программе обмена, и ценой покупки мотоцикла, участвующего в программе обмена.
    9. В трейд-ин должно быть транспортное средство в исправном и исправном состоянии. Шины, подвеска, двигатель и трансмиссия должны соответствовать заводским спецификациям и подлежат проверке участвующим дилером H-D. Внешний вид автомобиля не может отражать пренебрежение или жестокое обращение. Участвующий дилер H-D примет единоличное решение относительно того, находится ли предмет, подлежащий обмену, в хорошем рабочем состоянии и в хорошем рабочем состоянии.
    10. Покупатель несет ответственность за все расходы, связанные с эксплуатацией и обслуживанием Участвующего мотоцикла до его продажи.
    11. Данное предложение не может сочетаться с другими акциями, предложениями или скидками без специального разрешения Harley-Davidson. Тем не менее, квалифицированные клиенты могут использовать специальные финансовые предложения Harley-Davidson Financial Services в сочетании с Freedom Promise. Преимущество Freedom Promise не будет рассматриваться как часть первоначального взноса гонщика.
    12. Это предложение не подлежит передаче, за исключением супруга/супруги первоначального владельца или юридически признанного домашнего партнера первоначального владельца, при условии, что такое лицо проживает в том же домашнем хозяйстве и имеет тот же постоянный адрес, что и первоначальный владелец. Дилер H-D может потребовать документацию, подтверждающую эти отношения, прежде чем распространять предложение на супруга или домашнего партнера.
    13. Мотоциклы, соответствующие условиям обмена, должны быть взяты со склада дилера и недоступны для будущих заказов мотоциклов, поставок или депозитов вне Периода обмена.Определенные модели мотоциклов могут быть недоступны у некоторых участвующих дилеров.
    14. Действительно только в участвующих дилерских центрах H-D в США. Предложение не действует на Гавайях. Не подлежит передаче. Не может быть выкуплен наличными или денежным эквивалентом. Предложение не распространяется на мотоциклы, приобретенные и/или доставленные вне Периода продаж или за пределы США Harley-Davidson и/или дилер H-D не несут ответственности за утерянные или украденные документы, подтверждающие покупку. Предложение может быть изменено без предварительного уведомления. Недействительно там, где это запрещено.

  • Н/Д

  • Н/Д

  • Предложение о финансировании доступно только для подержанных мотоциклов Harley‑Davidson Street®, финансируемых через Eaglemark Savings Bank (ESB), и подлежит одобрению кредита. Не все претенденты будут соответствовать требованиям. Предложение 5,49% годовых доступно только для клиентов с высоким кредитным уровнем в ESB и только на срок до 72 месяцев.Годовая процентная ставка может варьироваться в зависимости от прошлой кредитной деятельности заявителя и срока кредита. Например, модель мотоцикла Street™ XG500 2015 года в ярко-черном цвете с продажной ценой 6799 долларов США, без первоначального взноса и суммой финансирования 6799 долларов США, сроком погашения 72 месяца и 5,49% годовых приводит к ежемесячным платежам в размере 111,05 долларов США. В этом примере покупатель несет ответственность за применимые налоги, право собственности, лицензионные сборы и любые другие сборы или сборы во время продажи. Годовая процентная ставка рассчитывается по методу простых процентов.Не действует в сочетании с другими предложениями. Могут применяться другие положения, условия и ограничения. Участие дилера может варьироваться. Предложение о финансировании может быть изменено или отменено в любое время. Подробную информацию можно получить у официального дилера Harley‑Davidson®.

  • Предложение по финансированию доступно только для новых мотоциклов Harley‑Davidson®, финансируемых через Eaglemark Savings Bank (ESB), и подлежит одобрению кредита. Не все претенденты будут соответствовать требованиям.Предложение 2,99% годовых доступно на новые мотоциклы Harley‑Davidson® для клиентов с высоким кредитным уровнем в ESB и только на срок до 60 месяцев. Годовая процентная ставка может варьироваться в зависимости от прошлой кредитной деятельности заявителя и срока кредита. Например, Heritage Classic 114 2022 года в цвете Vivid Black с рекомендуемой производителем розничной ценой 20 799 долларов США, первоначальным взносом 10% и суммой финансирования в размере 18 719,10 долларов США, сроком погашения 60 месяцев и годовой процентной ставкой 2,99% приводит к ежемесячным платежам в размере 336,27 долларов США. В этом примере покупатель несет ответственность за применимые налоги, право собственности, лицензионные сборы и любые другие сборы или сборы во время продажи.Годовая процентная ставка рассчитывается по методу простых процентов. Не действует в сочетании с другими предложениями. Могут применяться другие положения, условия и ограничения. Участие дилера может варьироваться. Предложение о финансировании может быть изменено или отменено в любое время. Подробную информацию можно получить у официального дилера Harley-Davidson®.

  • Предложение о финансировании доступно только для подержанных мотоциклов Harley‑Davidson, финансируемых через Eaglemark Savings Bank (ESB), и подлежит одобрению кредита.Не все претенденты будут соответствовать требованиям. Предложение 3,99% годовых доступно только для клиентов с высоким кредитным рейтингом, которые прошли обучение в Академии верховой езды, Skilled Riders, MSF или другом государственном аккредитованном курсе в течение 180 дней с даты подачи заявки и только на срок до 60 месяцев. Годовая процентная ставка может варьироваться в зависимости от прошлой кредитной деятельности заявителя и срока кредита. Например, модель Harley-Davidson Street® 750 2019 года в цвете Vivid Black с продажной ценой 7 599 долларов США, первоначальным взносом 10% и суммой финансирования 6 839,10 долларов США, сроком погашения 60 месяцев и 3.99% годовых приводит к ежемесячным платежам в размере 125,92 долларов США. В этом примере покупатель несет ответственность за применимые налоги, право собственности, лицензионные сборы и любые другие сборы или сборы во время продажи. Годовая процентная ставка рассчитывается по методу простых процентов. Не действует в сочетании с другими предложениями. Могут применяться другие положения, условия и ограничения. Участие дилера может варьироваться. Предложение о финансировании может быть изменено или отменено в любое время. Подробную информацию можно получить у официального дилера Harley-Davidson®.

  • Кредитором и эмитентом карты Harley‑Davidson® Visa® является США.S. Bank National Association, в соответствии с лицензией Visa U.S.A. Inc.

  • Предложение по финансированию доступно только для действующих военнослужащих США и только для мотоциклов Harley‑Davidson®, финансируемых через Eaglemark Savings Bank, и подлежит одобрению кредита. Не все претенденты будут соответствовать требованиям. Предложение No Money Down доступно только для высококвалифицированных заявителей кредитного уровня. Предложение 5,39% годовых доступно только для заявителей с наивысшим кредитным уровнем и только на срок до 60 месяцев.Годовая процентная ставка и первоначальный взнос могут варьироваться в зависимости от прошлой кредитной истории заявителя и срока кредита. Например, мотоцикл Softail® Standard 2022 года в цвете Vivid Black с рекомендуемой производителем розничной ценой 13 949 долларов США, без первоначального взноса и суммой финансирования в размере 13 949 долларов США, сроком погашения 60 месяцев и 5,39% годовых приводит к ежемесячным платежам в размере 265,73 долларов США. В этом примере покупатель несет ответственность за применимые налоги, право собственности, лицензионные сборы и любые другие сборы или сборы во время продажи. Годовая процентная ставка рассчитывается по методу простых процентов.Не действует в сочетании с другими предложениями. Могут применяться другие положения, условия и ограничения. Предложение о финансировании может быть изменено или отменено в любое время. Подробную информацию можно получить у официального дилера Harley-Davidson®. Активные вооруженные силы включают в себя: армию США, флот, морскую пехоту, военно-воздушные силы, береговую охрану, национальную гвардию и резервы.

  • Предложение по финансированию доступно только для новых моделей мотоциклов Harley-Davidson® Sportster®, финансируемых через Eaglemark Savings Bank (ESB), и подлежит одобрению кредита.Не все претенденты будут соответствовать требованиям. Предложение 8,49% годовых доступно только для клиентов с высоким уровнем кредитоспособности в ESB и только на срок до 84 месяцев. Годовая процентная ставка может варьироваться в зависимости от прошлой кредитной деятельности заявителя и срока кредита. Например, Iron 883 ™ 2022 года выпуска в цвете Black Denim с рекомендованной производителем розничной ценой 10 749 долларов США, первоначальным взносом 10% и суммой финансирования в размере 9 674,10 долларов США, сроком погашения 84 месяца и годовой процентной ставкой 8,49% приводит к ежемесячным платежам в размере 153,16 долларов США. В этом примере покупатель несет ответственность за применимые налоги, право собственности, лицензионные сборы и любые другие сборы или сборы во время продажи.Годовая процентная ставка рассчитывается по методу простых процентов. Не действует в сочетании с другими предложениями. Могут применяться другие положения, условия и ограничения. Участие дилера может варьироваться. Предложение о финансировании может быть изменено или отменено в любое время. Подробную информацию можно получить у дилера Harley-Davidson.

  • Предложение по финансированию доступно только для новых мотоциклов Harley‑Davidson®, финансируемых через Eaglemark Savings Bank (ESB), и подлежит одобрению кредита.Не все претенденты будут соответствовать требованиям. Это предложение со скидкой 7,99 % доступно на новые мотоциклы Harley-Davidson® для клиентов с высоким кредитным уровнем в ESB и только на срок до 84 месяцев. Годовая процентная ставка может варьироваться в зависимости от прошлой кредитной деятельности заявителя и срока кредита. Например, мотоцикл Softail® Standard 2022 года в цвете Vivid Black с рекомендуемой производителем розничной ценой 13 949 долларов США, первоначальным взносом 10% и суммой финансирования в размере 12 554,10 долларов США, сроком погашения 84 месяца и годовой процентной ставкой 7,99% приводит к ежемесячным платежам в размере 195,61 долларов США. В этом примере покупатель несет ответственность за применимые налоги, право собственности, лицензионные сборы и любые другие сборы или сборы во время продажи.Годовая процентная ставка рассчитывается по методу простых процентов. Не действует в сочетании с другими предложениями. Могут применяться другие положения, условия и ограничения. Участие дилера может варьироваться. Предложение о финансировании может быть изменено или отменено в любое время. Подробную информацию можно получить у официального дилера Harley-Davidson®.

  • Предложение по финансированию доступно только для новых мотоциклов Harley‑Davidson®, финансируемых через Eaglemark Savings Bank (ESB), и подлежит одобрению кредита.Не все претенденты будут соответствовать требованиям. Это предложение со скидкой 7,99 % доступно на новые мотоциклы Harley-Davidson® для клиентов с высоким кредитным уровнем в ESB и только на срок до 84 месяцев. Годовая процентная ставка может варьироваться в зависимости от прошлой кредитной деятельности заявителя и срока кредита. Например, мотоцикл Electra Glide® Standard 2022 года в цвете Vivid Black с рекомендуемой производителем розничной ценой 19 429 долларов США, первоначальным взносом 10% и суммой финансирования в размере 17 486,10 долларов США, сроком погашения 84 месяца и годовой процентной ставкой 7,99% приводит к ежемесячным платежам в размере 272,45 долларов США. В этом примере покупатель несет ответственность за применимые налоги, право собственности, лицензионные сборы и любые другие сборы или сборы во время продажи.Годовая процентная ставка рассчитывается по методу простых процентов. Не действует в сочетании с другими предложениями. Могут применяться другие положения, условия и ограничения. Участие дилера может варьироваться. Предложение о финансировании может быть изменено или отменено в любое время. Подробную информацию можно получить у официального дилера Harley-Davidson®.

  • Указанные цены, как правило, являются рекомендованной производителем розничной ценой (MSRP), без учета налогов, доставки, дополнительных аксессуаров, дополнительных сборов дилеров и могут быть изменены без предварительного уведомления.Цены и ассортимент в местных дилерских центрах могут отличаться. Все налоги являются дополнительными. STACYC оставляет за собой право без предварительного уведомления в любое время прекратить выпуск любого из представленных здесь элементов или изменить спецификации или дизайн без каких-либо обязательств перед покупателем. Все товары предоставляются в зависимости от наличия и предварительной продажи нашими дилерами.

  • Оценки запаса хода приведены в соответствии с SAE J2982 и основаны на ожидаемой производительности полностью заряженной батареи при эксплуатации в определенных условиях.Фактический запас хода зависит от манеры вождения, погодных условий и оборудования.

  • Предложение по финансированию доступно только для новых моделей мотоциклов Harley-Davidson® Touring 2019 года, финансируемых через Eaglemark Savings Bank, и подлежит одобрению кредита. Не все заявители будут соответствовать требованиям, поскольку годовая процентная ставка (APR) будет варьироваться в зависимости от прошлой кредитной деятельности заявителя и срока кредита.Предложение финансирования доступно только на срок до 60 месяцев. Например, мотоцикл Road Glide® Special 2019 года в цвете Billiard Blue с рекомендованной производителем розничной ценой 27 989 долларов США, без первоначального взноса и суммой финансирования в размере 27 989 долларов США, сроком погашения 60 месяцев и 2,99% годовых приводит к ежемесячным платежам в размере 502,80 долларов США. В этом примере покупатель несет ответственность за применимые налоги, право собственности, лицензионные сборы и любые другие сборы или сборы во время продажи. Годовая процентная ставка рассчитывается по методу простых процентов. Не действует в сочетании с другими предложениями.Клиент должен принять поставку до 30 сентября 2019 г. Могут применяться другие условия и ограничения. Участие дилера может варьироваться. Предложение о финансировании может быть изменено или отменено в любое время. Подробную информацию можно получить у дилера Harley-Davidson®.

  • Бесплатная быстрая зарядка постоянного тока в участвующих дилерских центрах H-D и 500 кВт-часов на зарядных станциях Electrify America.

  • Потенциальные правительственные стимулы указаны только в информационных целях.Федеральный налоговый вычет может составлять 10% от стоимости соответствующего транспортного средства, но не более 2500 долларов США. Доступность и право на участие варьируются, могут быть изменены без предварительного уведомления и находятся вне контроля Harley-Davidson. Право на участие и сумма кредитов и скидок зависят от вашей личной ситуации. Пожалуйста, проконсультируйтесь со своим специалистом по налогообложению, а также с агентством штата или федеральным агентством для получения подробной информации и квалификационных требований.

  • Надбавки, связанные со стоимостью сырья в цепочке поставок продукции

  • Ваучер на 75 долларов США / 100 канадских долларов действителен в участвующих магазинах U.S. и канадских дилеров H-D на покупку оригинальных запчастей и аксессуаров H-D, а также товаров общего назначения.

     

    Частное рекламное предложение действительно только для клиента, указанного в этом предложении, и не может быть передано другому лицу, за исключением супруга/супруги, домашнего партнера или ребенка, проживающего в том же домашнем хозяйстве, что и клиент, указанный в предложении (должен быть тот же адрес проживания). Предложение действительно при покупке оригинальных запчастей и аксессуаров H-D и товаров общего назначения только в период с 27 декабря 2021 г. по 31 марта 2022 г. включительно.

     

    Ваучер на сумму 75 долларов США / 100 канадских долларов нельзя использовать для первоначального взноса за мотоцикл, его необходимо использовать до 31 марта 2022 г., его можно применять к текущим заказам клиентов, которые находятся в стадии ожидания, но недоступны для предыдущих покупок, будущих заказов мотоциклов. , или депозиты вне периода продаж. Не более одного ваучера на сумму 75 долларов США / 100 канадских долларов на мотоцикл Pan America и Pan America Special 2021 года выпуска в авторизованных дилерских центрах Harley-Davidson. Harley-Davidson и/или дилер не несут ответственности за утерю или кражу кодов предложений.Предложение может быть изменено в любое время без предварительного уведомления. Недействительно там, где это запрещено или ограничено законом. Не подлежит обмену на наличные деньги или их эквивалент и возврату не подлежит.

     

    Акция действует до 31 марта 2022 г.

  • Разреженные импульсы оптимизируют передачу информации в мультиплексированном нейронном коде

    Зрительная, слуховая и двигательная обработка в мозге млекопитающих организована в иерархию (1⇓⇓⇓–5).В нижней части этой иерархии ансамбли нейронов кодируют плотный набор простых функций, таких как локальный визуальный контраст или простые компоненты движения. В верхней части иерархии нейроны кодируют более сложные функции, такие как сложные изображения и последовательности движений. Учитывая, что информация перемещается как вверх, так и вниз по иерархии, обладая способностью стимулировать или модулировать ответы (6⇓⇓–9), мы вынуждены задать важный вопрос: как популяции, которые получают информацию как снизу вверх, так и сверху вниз, обрабатывают эти данные? два разных типа сообщений?

    Экспериментальные наблюдения подтверждают несколько противоположных точек зрения.С одной точки зрения, нисходящие входные данные модулируют восходящие ответы (7). С другой точки зрения, входные данные сверху вниз могут создавать ответы de novo (8). Третья точка зрения возникает из концептуальных требований. В теориях неконтролируемого обучения одни и те же единицы должны одновременно передавать распознавание признаков единицам более высокого порядка и предсказание признаков единицам более низкого порядка (10, 11). В обучении с учителем сигнал успеха более высокого порядка должен просачиваться вниз по иерархии, требуя, чтобы единицы сообщали как остаток кредита сверху вниз, так и активацию снизу вверх (12, 13).Кроме того, в проблеме связывания нейроны должны одновременно сигнализировать о наличии признака более низкого порядка и его привязке к признаку высокого порядка в разных модальностях (14⇓–16). Отсюда третья точка зрения — мультиплексирование: одна и та же популяция должна передавать различные функции восходящей и нисходящей информации одновременно и, возможно, разным нейронам-мишеням.

    Существующие нейронные механизмы мультиплексирования можно разделить на три разные категории. Во-первых, мультиплексирование фаз спайков (15, 17) постулирует, что популяция представляет восходящую информацию по частоте возбуждения, а информацию сверху вниз — по времени своих спайков относительно отдельных частотных диапазонов потенциала локального поля.Этот тип мультиплексирования с частотным разделением (18) подтверждается многочисленными экспериментальными исследованиями в различных системах (15, 17), но клеточные механизмы кодирования и декодирования потенциалом локального поля еще предстоит полностью сформулировать. Второй механизм использует разницу между усредненной по времени частотой возбуждения отдельного нейрона и усредненной частотой возбуждения по ансамблю. Отличительные особенности сенсорного ввода могут быть представлены в выходных характеристиках, как показано в слуховом стволе мозга (19), в обонятельной луковице (20) и в зрительной системе мух (21).Однако здесь различные черты одного и того же стимула представлены в различных чертах нейронной реакции, поэтому механизм ближе к концепции информационной синергии (22), чем к мультиплексированию. Третья возможность состоит в том, чтобы позволить нейронам переключаться между различными режимами: один предназначен для передачи восходящей информации, а другой — для распространения нисходящей информации. Такого рода мультиплексирование с временным разделением широко распространено в искусственных нейронных сетях (10, 12).Аналогичным образом, мультиплексирование с временным разделением является полезным механизмом в вычислительных моделях синаптической пластичности (13, 23, 24), где популяция чередуется между фазами восприятия и обучения. Тем не менее, неясно, как мультиплексирование с временным разделением может быть отображено на текущей активности корковых сетей (9, 23).

    В этой статье мы предлагаем тип мультиплексирования, основанный на разделении пакетов и одиночных выбросов на уровне ансамбля. Мы предполагаем, что пакетное кодирование действует на уровне ансамбля для одновременного представления нескольких информационных потоков без неоднозначности.Мы изучаем эту идею в пирамидных нейронах с толстыми пучками (TPN) как парадигматическом типе клеток, которые получают сигналы как снизу вверх, так и сверху вниз. Используя компьютерное моделирование, мы показываем, что TPN могут кодировать два независимых потока информации с высокой временной точностью. Два потока могут быть расшифрованы постсинаптическими популяциями с использованием кратковременной пластичности и дисинаптического торможения. Теоретический анализ показывает, что представление информации является оптимальным для коротких и разреженных всплесков, что соответствует режиму всплесков in vivo.Далее мы показываем, что этот оптимальный режим может быть сохранен сетевой архитектурой, которая имеет интересные параллели с анатомией торможения дендритной обратной связи в коре. Наконец, мы обсуждаем, как предлагаемый код пакетного ансамблевого мультиплексирования (BEM) может позволить центральной нервной системе различать восходящую информацию от нисходящей информации и, следовательно, предлагает другой подход к их анализу.

    Результаты

    Мы рассматриваем нейронный код, в котором временные паттерны спайков — одиночные спайки и всплески — разделяются на уровне отдельных последовательностей спайков, а затем усредняются по нейронному ансамблю (рис.1 А ). Из классических исследований частоты возбуждения (21, 26, 27) мы ожидаем, что результирующие изменяющиеся во времени частоты одиночных спайков и вспышек могут быть связаны с усредненными во времени частотами, но для изменяющихся во времени стимулов они, как правило, не равны. . Каким образом скорости различных паттернов синхронизации всплесков могут представлять разные входные потоки или функции? В более простом варианте одиночные всплески и всплески генерируются двумя независимыми клеточными механизмами, каждый из которых зависит только от одного входного потока.В этом случае скорость синглета ансамбля и скорость пачки ансамбля будут кодировать эти потоки независимо. Эта возможность исследовалась в контексте возбуждения одиночных клеток таламуса (14, 28), гиппокампа (29), коры (30, 31) и электросенсорной боковой доли (ЭЛЛ) (32⇓–34).

    Рис. 1.

    БЭМ для представления одновременно двух сигналов. ( A ) Схема предполагаемого нейронного кода: один сигнал доставляется к соматам, а другой — к апикальным дендритам нейронного ансамбля.Каждый нейрон отвечает серией потенциалов действия (черные кривые), которые можно классифицировать как изолированные спайки или взрывы на основе интервала между спайками. Общее количество событий (синие точки) можно вычислить в каждом интервале времени для формирования частоты событий (синие столбцы). Вероятность всплеска (красные столбцы) рассчитывается путем отношения количества всплесков (оранжевые точки) к общему количеству событий для каждого временного шага. ( B – F ) Компьютерное моделирование для иллюстрации нейронного кода.( B ) Переменные соматические и дендритные входные токи использовались в качестве входных данных для популяции из 4000 моделей двухкомпартментных нейронов (25). Отставание по фазе и амплитуды были выбраны таким образом, чтобы ( C ) выходная частота срабатывания оставалась в значительной степени постоянной, чтобы проиллюстрировать неоднозначность кода частоты срабатывания. ( D ) Частота всплесков ансамбля отражает соединение соматических и дендритных входов. ( E ) Вероятность всплеска отражает переменный дендритный вход. ( F ) Частота событий ансамбля отражает переменный соматический вклад.Заштрихованные области показывают два стандартных отклонения, рассчитанных по пяти испытаниям.

    В качестве альтернативы всплески могут генерироваться синергией двух входных потоков, а именно конъюнктивным всплеском. Можно сказать, что клеточные и молекулярные механизмы взрывного возбуждения в таламусе (14, 35), поверхностных ELL (34), пирамидных костях L2–3 (36), пирамидных костях СА1 (37, 38) и TPN (30) ответ на соединение различных потоков информации. Поскольку в этом случае и частота синглетов, и частота вспышек представляют собой смесь двух входных потоков, сопоставление скоростей синглетов и вспышек вряд ли даст независимую информацию.

    В TPN дендритные спайки превращают соматически индуцированный синглет в всплеск посредством активации кальциевого спайка в дендритах (30). Следовательно, мы считаем, что в TPN дендритный входной поток представлен вероятностью того, что соматически индуцированный спайк преобразуется во всплеск (33). На уровне ансамбля эта вероятность всплеска F отражается долей активных ячеек, испускающих всплеск (рис. 1 A ). Затем соматический входной поток должен отражаться в частоте либо синглетных, либо пачечных событий (22).Мы назвали эту величину скоростью событий (рис. 1 A ), Е, и она рассчитывается путем взятия суммы скорости синглетов и частоты вспышек. Эта частота событий равна частоте стрельбы только при отсутствии взрыва и в противном случае меньше. В этой номенклатуре скорость передачи пакетов B по определению является конъюнкцией B=EF. Каждая из этих величин — B, E и F — представляет отдельный сигнал, который, возможно, потребуется передать конкретной цели.

    Хотя пакетное кодирование было в центре внимания многих теоретических (31, 39⇓⇓–42) и экспериментальных (32⇓–34, 38, 43, 44) исследований и хотя ансамблевое пакетное кодирование могло подразумеваться в некоторых экспериментальных исследованиях (38 , 44), его потенциал в качестве нейронного кода для мультиплексирования ранее не изучался.Далее мы используем компьютерное моделирование и теоретический анализ, чтобы показать, что анатомия и известная физиология неокортикальных сетей согласуются с этим нейронным кодом для TPN.

    Кодирование: дендритные шипы для мультиплексирования.

    Чтобы проиллюстрировать код БЭМ в корковых ансамблях, мы сначала рассмотрим статистику срабатывания модельных TPN, когда они реагируют на чередующиеся дендритные и соматические входные сигналы, общие для нейронов (рис. 1 B ). Индивидуальные TPN моделируются с использованием двухкомпонентной модели, которая была ограничена электрофизиологическими записями для регистрации дендрит-зависимого разрыва [ SI Приложение , рис.S1 A–D (30)], критическая частота послеспайковой деполяризации [ SI Приложение , рис. S1 E–H (45)] и спайковый ответ TPN на сложные стимулы in vitro (46). В дополнение к общим чередующимся сигналам каждая клетка в популяции получает независимый фоновый шум для воспроизведения высокой изменчивости рекуррентных сетей возбуждения, уравновешенных торможением, а также низкой доли пачек и типичного SD мембранного потенциала, наблюдаемых in vivo (47⇓–49). ) ( Материалы и методы ).В результате смоделированные последовательности спайков отображают синглеты, переплетенные с короткими всплесками потенциалов действия. Оба типа событий появляются неравномерно во времени и слабо коррелируют в популяции ( SI Приложение , рис. S2, средний парный коэффициент корреляции <0,005). В примере, проиллюстрированном на рис. 1, дендритные и соматические входы были выбраны для обеспечения приблизительно постоянной скорости возбуждения (рис. 1 C ). Это иллюстрирует неоднозначность реакции на скорость стрельбы: та же самая реакция могла возникнуть из-за постоянного соматического воздействия.Частота всплесков (рис. 1 D ) также неоднозначна, поскольку она сигнализирует о соединении соматических и дендритных входов. Однако эту неоднозначность можно разрешить, поскольку сильный дендритный вход с большей вероятностью преобразует одиночный пик во всплеск. Действительно, частота событий и вероятность всплеска качественно восстанавливают паттерн переключения, введенный в дендритные и соматические компартменты, соответственно (Fig. 1 E и F ). Таким образом, выясняется, что TPN могут одновременно передавать множество различных функций соматических и дендритных входов, в зависимости от паттернов синхронизации спайков, рассматриваемых в среднем по ансамблю.

    Чтобы определить динамический диапазон этого мультиплексирования, мы охарактеризовали функцию ввода-вывода (IO) ансамбля, моделируя реакцию населения на короткие 20-мс импульсы тока различной амплитуды, подаваемые одновременно во все отсеки (рис. 2 ). А и В ). В соответствии с более ранними вычислительными работами и записями in vitro усредненной по времени частоты возбуждения (31, 42, 50, 51), частота возбуждения ансамбля растет нелинейно с соматическим входом, с усилением, которое модулируется сопутствующим дендритным входом (рис.2 С ). Также в соответствии с представлением об одиночных клетках, что всплески сигнализируют о соединении дендритных и соматических входов (30), частота всплесков ансамбля в наших симуляциях сильно зависит как от соматических, так и от дендритных входов (Fig. 2 D ). Частота событий увеличивается нелинейно с соматическим входом (рис. 2 E ), но меньше модулируется дендритным входом, чем частота возбуждения, что согласуется с кодированием соматического входного потока. Динамический диапазон частоты событий ограничен малой и умеренной интенсивностью входных сигналов, поскольку частота событий достигает насыщения, когда соматические входные данные достаточно сильны, чтобы вызвать всплеск во всех клетках.Точно так же вероятность всплеска определяется входной мощностью дендритов. Существует слабая модуляция сопутствующим соматическим входом (рис. 2 F ), но в целом она согласуется с нашей гипотезой о том, что вероятность всплеска кодирует дендритный информационный поток. Динамический диапазон вероятности всплеска ограничен дендритными входами от малых до умеренных, поскольку сильные дендритные входы вызывают всплески во всей популяции, насыщая функцию ввода-вывода.

    Рис. 2. Функции ввода-вывода

    для различных шаблонов синхронизации пиков.( A ) Двухкамерная модель TPN сочетает в себе дендритно-зависимую вспышку в присутствии высоких соматических и дендритных входных сигналов с фоновым шумом. ( B ) Функции ввода-вывода вычисляются путем моделирования отклика 4000 TPN на короткие импульсы тока и усреднения по ансамблю. ( C ) Частота возбуждения ансамбля как функция амплитуды соматического входа показана при наличии сопутствующего дендритного входа (0 пА, 200 пА, 400 пА; более толстая линия соответствует большему дендритному входу).( D ) Частота всплесков ансамбля как функция входной амплитуды дендритов показана при наличии сопутствующих соматических входных импульсов (0 пА, 200 пА, 400 пА; более толстая линия соответствует большему соматическому входу). ( E ) То же, что и C , но для частоты событий ансамбля. ( F ) То же, что и D , но для вероятности пачки, вычисляемой путем деления частоты пачки ансамбля на частоту событий. Серые столбцы обозначают входные режимы, связанные с SNR I > 1 ( SI Приложение , Методы анализа данных ).

    Мы суммируем приведенные выше результаты с помощью феноменологической модели различных ответов. Скорость возбуждения ансамбля, или активность A(Is,Id), зависит от соматического входа Is, но также модулируется дендритным входом Id (рис. 2 C ). Эта двумерная функция может быть разделена на сумму двух одномерных функций: частоты событий E(Is) и модуляции, которая соответствует количеству дополнительных всплесков n, вызванных вспышками, контролируемыми одномерной вероятностью F(Id):A=E(Is). )1+нФ(Iд).[1] Поскольку частота всплесков B=EF и частота одиночных всплесков S=E-B являются двумерными, разложение отклика на частоту событий и вероятность всплеска может восстановить два независимых канала. Не говоря уже о том, какие из этих временных паттернов спайков, A, E, B, S и F, используются нервной системой, мы можем лучше всего оценить информационное содержание, сосредоточившись на одномерных величинах E(Is) и F(Id).

    Чтобы количественно оценить качество этого мультиплексирования, мы вычисляем отношение сигнал-шум (SNR I ), которое является высоким для отклика, сильно модулируемого входным сигналом в одном отсеке, но инвариантным по отношению к входному сигналу в другом отсеке. другое ( Приложение SI , Методы анализа данных ).Мы обнаружили, что как вероятность всплеска, так и частота событий достигли большего SNR I , чем скорость всплеска или частота срабатывания (максимальный SNRI>250 для вероятности всплеска и >1000 для частоты событий по сравнению с SNRI<10 для скорострельности и <5 для скорострельности очередей; Приложение SI , рис. S3). Кроме того, диапазон входных амплитуд с SNRI>1 шире для вероятности всплеска, чем для частоты всплеска (серые области на рис. 2 E и F ). Для очень высоких входных данных четкая инвариантность соматического и дендритного входов в частоте событий и вероятности пачек нарушается ( SI Приложение , рис.S4), потому что всплески могут быть вызваны только соматическим или дендритным входом и больше не являются конъюнктивным сигналом. Следовательно, возможно мультиплексирование дендритных и соматических потоков, если только соматические или дендритные входы не очень сильны. Низкая скорость срабатывания и редкое появление вспышек, обычно наблюдаемых in vivo (47⇓–49), соответствуют этому режиму.

    Факторы ограничения информации при мультиплексировании.

    Предыдущие исследования, не основанные на ансамблевом кодировании, показали, что импульсы кодируют только медленно меняющуюся часть сенсорных входов (34, 52).Учитывая потребность в быстрой кортикальной коммуникации (53), мы задаемся вопросом, ограничен ли БЭМ с точки зрения того, насколько быстро он может кодировать два входных потока. С этой целью мы смоделировали реакцию ансамбля TPN, получающих два независимых входных сигнала, один из которых вводится в дендриты, а другой — в соматы. Оба входных сигнала зависят от времени и колеблются с одинаковой мощностью на быстрых и медленных частотах в диапазоне от 1 до 100 Гц ( Приложение SI , Computational Methods ). В качестве первого шага мы рассмотрим случай очень большого ансамбля (80 000 ячеек), чтобы минимизировать эффекты конечного размера.Поскольку функции ИО, полученные от импульсных входов (рис. 2), в режиме умеренного входа имеют приблизительно экспоненциальный характер, мы используем логарифм вероятности всплеска в качестве оценки дендритного входа и логарифм частоты событий в качестве оценки соматического входа. Вход. Несмотря на грубость по сравнению с методами декодирования, учитывающими попарную корреляцию и адаптацию (54⇓–56), этот простой подход точно восстанавливает как соматические, так и дендритные входные данные (рис.S5), с дефицитом, главным образом, из-за быстрых дендритных входных колебаний. Чтобы количественно оценить качество кодирования в различных временных масштабах, мы вычисляем когерентность с частотным разрешением между входными данными и их оценками. Когерентность между дендритным входом и его оценкой, основанной на вероятности всплеска (рис. 3 B ), близка к единице для медленных флуктуаций входа, но снижается до нуля для быстрых флуктуаций входа. В то же время частота событий может декодировать соматический вход с высокой точностью для входных частот до 100 Гц (рис.3 В ). Когда соматический вход намного сильнее, чем дендритный вход, все еще возможно восстановить медленно меняющуюся дендритную информацию, учитывая вероятность взрыва (рис. 3 C и SI Приложение , рис. S5). Во всех случаях когерентность не менее высока, но обычно превосходит когерентность, полученную из классического кода скорости стрельбы, указывая на то, что пакетное мультиплексирование соответствует, но обычно превосходит информацию, содержащуюся в частоте стрельбы. Чтобы исключить вероятность того, что всплески будут отражать просто общую силу двух комбинированных входов, мы рассмотрели сценарий, в котором одни и те же два входа вводятся в сому (рис.3 D F и SI Приложение , рис. S6). В этом случае код скорострельности является наиболее информативным и сообщает только о самых сильных входных данных. Эти наблюдения подтверждают идею о том, что активные дендриты позволяют ансамблям увеличивать представление информации посредством мультиплексирования.

    Рис. 3.

    Декодирование мультиплексированной информации, зависящей от времени. ( A ) Два некоррелированных зависящих от времени входных сигнала вводятся в отдельные субклеточные компартменты. Мультиплексирование предполагает, что можно декодировать больше информации, рассматривая вероятность всплеска и частоту событий как оценки дендритных и соматических входов соответственно.Классическое кодирование частоты импульсов предполагает, что информацию можно декодировать, рассматривая частоту импульсов как оценку суммированных дендритных и соматических входов. ( B ) Для сильных дендритных входов когерентность дендритного входа ( Верхний ) и соматического входа ( Нижний ) показана в отношении вероятности взрыва (красный), частоты событий (синий) и срабатывания ставка (черный). Повышение чувствительности возбудимости дендритов увеличивает ширину полосы вероятности всплеска (розовая пунктирная линия) без изменения частоты событий (голубая пунктирная линия).( C ) То же, что и B , но для дендритного входа малой амплитуды и соматического входа большой амплитуды. ( D ) Для сравнения мы моделируем введение тех же входных данных, что и в A , в соматический отсек. ( E и F ) Когерентность для ( E ) случая более сильного входа 1 или для ( F ) случая более сильного входа 2.

    Теперь мы спросим, ​​что ограничивает полосу когерентности вероятность взрыва (рис.3 С )? Если бы оно было ограничено динамикой потенциала дендритной мембраны, кодирование в принципе могло бы быть улучшено за счет изменения свойств мембраны. Если бы он был ограничен конечной продолжительностью всплесков, что эффективно вводит длительный рефрактерный период до того, как может произойти следующий всплеск, это могло бы ввести фундаментальное ограничение скорости для БЭМ. Для исследования последнего мы провели теоретико-информационный анализ кода БЭМ, который показывает, что рефрактерный период не влияет на пропускную способность БЭМ для достаточно больших ансамблей, что согласуется с предыдущей теоретической работой (57).Альтернативно, динамика мембраны в дендрите может ограничивать пропускную способность. Медленная пассивная динамика в апикальных дендритах, вероятно, не является ограничивающим фактором, потому что высокая плотность активируемых гиперполяризацией ионных каналов (58) способствует особенно низкой постоянной времени дендритной мембраны (46). Другая возможность состоит в том, что медленное начало дендритных спайков ограничивает пропускную способность (59). Эта возможность согласуется с наблюдаемым медленным началом кальциевых спайков, возникающим из-за кинетики кальциевых ионных каналов (60).Поэтому мы смоделировали реакцию на тот же зависящий от времени вход, показанный на рис. 3, но с трехкратным увеличением чувствительности к напряжению для дендритных спайков, чтобы ускорить появление дендритных спайков. Эта единственная манипуляция значительно улучшила кодирование высокочастотных колебаний (рис. 3 B и C и SI Приложение , рис. S7). Таким образом, медленное начало дендритных пиков указывает на то, что TPN жертвуют пропускной способностью для представления медленно меняющейся информации.

    Общий объем передаваемой информации зависит от множества внешних и внутренних факторов. Основными внешними факторами являются мощность и ширина полосы входных сигналов. Высокая мощность проявляется в больших изменениях входных данных, которые могут сильно синхронизировать клетки и, таким образом, могут увеличить отклик ансамбля. Следовательно, когерентность, полученная в предыдущем разделе, сильно зависит от нашего выбора входной мощности. Например, уменьшение относительной мощности в дендритах снижает когерентность, полученную из вероятности всплеска (рис.3 C и D ). Чтобы получить более объективную оценку мультиплексирования, мы получили математические выражения для скоростей передачи информации о событиях и пакетах, предполагая низкие парные корреляции (61). Нейроны получают фиксированную общую входную мощность P, разделенную поровну в двух отсеках, и испускают фиксированное общее количество спайков в единицу времени A0 ( Приложение SI , Теоретические методы ). Скорость передачи информации от частоты событий увеличивается с увеличением числа нейронов N и ширины полосы частот W, но уменьшается с увеличением числа импульсов на пачку n и стационарной вероятности пачки F0:ME=W⁡log21+NA0P2(1+nF0)W .[2] Аналогичным образом, вероятность пакета может передавать дополнительную информацию со скоростью, которая увеличивается с вероятностью стационарного пакета: MF=W⁡log21+NA0F0(1−F0)P2(1+nF0)W.[3] Мы можем сравнить мультиплексирование информация, полученная путем суммирования ME + MF, с информацией, полученной из классической скорости стрельбы с общей входной мощностью P и испусканием того же общего количества импульсов в единицу времени A0: MA = W⁡ log21 + NA0PW. [4] Поскольку оба входная мощность и выходная мощность согласованы в коде мультиплексирования и классическом коде скорости стрельбы, эти выражения можно использовать для определения условий, при которых мультиплексирование выгодно.

    Во-первых, мы обнаруживаем, что существует оптимальная плотность пакетов, т. е. средняя вероятность пакетов, при которой передача информации максимальна (рис. 4 A ). Этот оптимум возникает из-за того, что редкие всплески приносят в жертву информацию из дендритного потока, тогда как частые всплески должны жертвовать информацией из соматического потока, чтобы соответствовать ограничению общего количества спайков. Эта оптимальная пакетная передача зависит от количества пиков в пакете и ширины полосы пропускания двух каналов.Оно уменьшается с увеличением количества импульсов в пакете (рис. 4 B ) в соответствии с представлением о том, что длинные пакеты передают мало информации на пик и, следовательно, должны использоваться более редко. Оптимальная импульсность еще больше снижается с уменьшением полосы пропускания дендритов (рис. 4 B ), то есть для нейронов с более медленной динамикой дендритов. Передаваемая информация уменьшается с увеличением количества импульсов в пакете (рис. 4 C ), в соответствии с интуицией, согласно которой второй импульс в пакете отмечает событие как пакет, тогда как дополнительные пики не содержат дополнительной информации.Следовательно, для нейронов с медленной динамикой дендритов BEM лучше всего работает, когда всплески короткие и происходят редко, в соответствии с экспериментальными наблюдениями (47). Наконец, предпочтение коротких пакетов не зависит от количества нейронов в ансамбле (рис. 4 C ), но для передачи большего количества информации требуется минимальное количество нейронов, чем код скорости с той же частотой срабатывания и количеством импульсов. нейроны (рис. 4 C и D ). Если соматические и дендритные компартменты имеют одинаковую полосу пропускания, общая информация, передаваемая с помощью БЭМ, в два раза приближается к информации классического кода скорости в пределе очень больших ансамблей (рис.4 D ). Таким образом, теоретический анализ показывает, что короткие и разреженные пакеты в большом ансамбле максимизируют передачу информации при пакетном мультиплексировании.

    Рис. 4.

    Короткие и разреженные пакеты оптимальны для мультиплексирования. ( A ) Теоретические оценки общей мультиплексированной информации, ограниченной фиксированным общим количеством пиков (черные кривые, уравнения 2 и 4 ). Информация варьируется в зависимости от стационарной вероятности всплеска и имеет максимум при низкой вероятности всплеска (черные кружки), что согласуется со статистикой всплеска в естественных условиях (47).Три черные кривые соответствуют трем размерам пакетов (2, 3 и 6 импульсов на пакет), показывая, что меньший размер пакета передает больший объем информации. Для сравнения показана скорость передачи информации для кода скорости стрельбы с согласованной входной амплитудой и стационарной частотой стрельбы (красная пунктирная линия, уравнение 4 ). ( B ) Оптимальная средняя вероятность пакета уменьшается в зависимости от размера пакета. Он достигает 31% для типичного размера пакета [соответствует среднему значению 2.3 импульса на всплеск (47, пунктирная линия] для параметров, как в A . Учитывая более медленную динамику дендритов, Wd=0,2Ws снижает оптимальную вероятность взрыва (пурпурная кривая). ( C ) Максимальная скорость передачи информации (сплошные черные кривые, N = 10, 102 и 103) уменьшается в зависимости от размера пакета. Он превосходит информацию кода скорости стрельбы с согласованной входной амплитудой и стационарной скоростью стрельбы (красные линии для соответствующего N) для достаточно больших ансамблей и для небольших размеров пакетов.( D ) Для согласованной входной амплитуды и выходной скорости общий мультиплексированный информационный прирост относительно скорости передачи информации о частоте срабатывания (уравнение 2 плюс уравнение 3 над уравнением 4 ) асимптотирует к двум ( пунктир). Область, в которой классическая скорострельность предлагает выгодную стратегию кодирования, заштрихована серым цветом. Если не указано, значения параметров были p = 0,5, N = 100, P = 20 (49, 62), F0 = 0,5, n = 1, Ws = Wd = 100 Гц и A0 = 10 Гц ( Приложение SI , Теоретические методы ).

    Декодирование: кортикальные микросхемы для демультиплексирования.

    Чтобы мозг мог использовать мультиплексированный код, различные потоки должны быть декодируемы биофизическими механизмами. Предыдущие экспериментальные (63) и теоретические (52, 64) исследования утверждали, что кратковременная пластичность (КВП) может играть роль в облегчении или подавлении постсинаптической реакции на всплески. Мы утверждали, что ансамбли TPN могут представлять различную информацию не в частоте одиночных всплесков и всплесков, а в частоте событий и вероятности всплеска.Чтобы проверить, можно ли использовать STP для восстановления этих функций ансамбля, мы смоделировали клеточные популяции, получающие возбуждающий сигнал от TPN, и изучили, как ответ этих постсинаптических клеток зависит от входа на TPN (рис. 5). В качестве модели для STP мы использовали расширенную модель Цодикса-Маркрама (63) с параметрами, ограниченными заявленными свойствами неокортикальных связей (65) ( SI Приложение , Вычислительные методы ). Уменьшая постсинаптический эффект дополнительных спайков во вспышке, кратковременная депрессия (STD) может привнести избирательность в события, особенно в отношении коротких всплесков и сильной депрессии.Действительно, мы обнаружили, что в популяции клеток, получающих возбуждающие входы TPN, ответы немного больше коррелировали с частотой событий при наличии STD, чем без STP ( SI, Приложение , рис. S8 A и B ). Наличие STD влияет на диапазон SNR I выше единицы лишь слабо, но значительно увеличивает максимум, достигаемый SNR I (SNR I достигает 120 при STD и ниже 30 без STD; Приложение SI , рис.S9 A и B ). Следовательно, STD можно интерпретировать как декодер частоты событий. В свою очередь, поскольку частота событий TPN кодирует соматический поток (рис. 2), неудивительно, что мы обнаруживаем, что STD дополнительно подавляет слабую зависимость от дендритных входов, сохраняя при этом селективность к соматическим входам (рис. 5 B ). ). Следовательно, STD улучшает избирательное декодирование соматического потока.

    Рис. 5.

    Роль СТП и дисинаптического торможения в разделении различных информационных потоков.( A ) Чередующиеся соматические и дендритные входы вводятся в 4000 TPN. ( B – D , Left ) Постсинаптическая реакция популяции на TPN при чередующихся входных сигналах (сплошная линия; заштрихованная область показывает 2 SD вокруг среднего значения). ( Right ) Ответы постсинаптической популяции на ввод коротких импульсов на TPN показаны как функция амплитуды соматических и дендритных импульсов. Различные линии показывают реакцию в присутствии сопутствующего входа 200, 300 и 400 пА (более толстый) (соматический вход, когда ось абсцисс дендритная, и наоборот).Серая заливка выделяет диапазон с SNRI>1. ( B – D ) Реакция скорости возбуждения постсинаптических нейронов на TPN показана для синапсов ( B ) с STD, ( C ) с STF вдоль оси x и постоянным торможением, и ( D ) с СТП и дисинаптическим торможением.

    Затем мы спрашиваем, могут ли постсинаптические нейроны декодировать соединение соматических и дендритных входов. Увеличивая постсинаптический эффект более поздних спайков во вспышке (63, 64, 66), кратковременная фасилитация (STF) повышает чувствительность к вспышкам ( SI Приложение , рис.S8 C ) и, следовательно, к дендритному потоку (рис. 5 C и Приложение SI , рис. S9 C ). Для декодирования дендритного потока нейроны должны вычислить величину, аналогичную вероятности всплеска (рис. 2 D ). Мы полагаем, что нейронное вычисление вероятности всплеска может быть достигнуто путем сочетания чувствительности к скорости всплеска с разделяющим дисинаптическим торможением от декодера частоты событий. Таким образом, мы рассматриваем популяцию, получающую облегчающий возбуждающий ввод от TPN в сочетании с дисинаптическим торможением от декодера частоты событий на основе STD.Мы вручную скорректировали веса этих соединений, чтобы увеличить постсинаптический эффект дендритных входов и уменьшить постсинаптический эффект соматических входов. Это достигалось с помощью мощного возбуждения и торможения, режима, связанного с разделяющим торможением (39, 67). Выходная скорость этой микросхемы показала более высокую корреляцию с вероятностью всплеска, чем у микросхемы без десинаптического торможения ( SI Приложение , рис. S8 D ). Эта микросхема может выборочно декодировать дендритный вход (рис.5 D ) с SNR I I выше 1 в большом диапазоне дендритных входных амплитуд ( SI Приложение , рис. S9 D ). Является ли наличие ЗППП существенным для этой операции? В соответствии со слабой зависимостью скорости срабатывания TPN от дендритного входа мы находим, что наличие STD в этой микросхеме не является существенным, поскольку декодирование потока дендритов также может быть результатом STF в сочетании с дисинаптическим торможением без STD ( SI Приложение , Инжир.S9 E и F ). Делаем вывод, что микросхема с СТП и дисинаптическим торможением в делительном режиме может избирательно извлекать разные входные потоки из мультиплексированного нейронного кода.

    Получить контроль над мультиплексированными сигналами.

    Для передачи значимой информации пакетный код основан на постепенном увеличении частоты пакетных импульсов в зависимости от дендритных и соматических входных сигналов, что противоречит характеру выброса кальция по принципу «все или ничего» в одиночных клетках (30) и ансамбли (31).Три механизма могут линеаризовать функцию ввода-вывода и преобразовать ответ «все или ничего» в градуированный. Этими механизмами являются фоновый шум, адаптация к частоте всплесков и подавление обратной связи. Для быстрого и надежного кодирования подавление обратной связи является наиболее эффективным, поскольку линеаризация происходит быстрее, чем при адаптации, а отношение сигнал-шум лучше, чем при фоновом шуме. Ингибирование дендритов с обратной связью (FDI) опосредуется в неокортексе соматостатин-позитивными нейронами (SOM), которые получают входные данные от TPN (66) и проецируются обратно к апикальным дендритам того же ансамбля.Известно, что FDI линеаризует дендритную активность (68, 69) и, следовательно, может линеаризовать вероятность всплеска, в то время как соматическое торможение с обратной связью линеаризует частоту событий. Но поскольку SOM активируются TPN, как соматические, так и дендритные входы могут снижать вероятность взрыва, нарушая сегрегацию дендритных и соматических потоков. Поэтому мы спрашиваем, может ли торможение FDI линеаризовать ответ на пакет без введения связи между двумя входными потоками.

    С этой целью мы смоделировали TPN, получающие торможение по обратной связи от декодера пакетной вероятности (рис.6 A и Приложение SI , рис. S10 A–D ). Мы находим, что наличие таких FDI уменьшает среднюю длину вспышки (рис. 6 B ), что согласуется с аналогичными экспериментальными манипуляциями в гиппокампе (70). Кроме того, наблюдается более слабая модуляция усиления функции ввода-вывода скорости стрельбы по сравнению с TPN без FDI (рис. 6 C ). Ингибирование с помощью мотива декодера вероятности пачки не устраняет пачку в TPN, но уменьшает как общую пропорцию пачки, так и усиление функции ввода-вывода вероятности пачки (рис.6 D ). Важно отметить, что эта форма FDI не изменяет инвариантность вероятности пакета к соматическому входу, поэтому мультиплексированный код сохраняется (рис. 6 D ). Мы предполагаем, что эта инвариантность требует, чтобы ПИИ в первую очередь управлялись дендритным вкладом в ТПС. Эффекту соматического входа в ТПС противодействует дисинаптическое торможение. При делительном дисинаптическом торможении в пачечно-вероятностном дешифраторе заменяется постоянным гиперполяризующим током (рис. 6 Е и СИ Приложение , рис.S10 E–H ), FDI становится сильно модулированным соматическим входом ( SI Приложение , рис. S10 H ). Хотя очереди остаются короче (рис. 6 F ) и реже (рис. 6 H ), и хотя прирост скорострельности снижается очень похожим образом (рис. 6 G ), вероятность взрыва теряет свою инвариантность по отношению к соматическому входу (рис. 6 H ). Следовательно, FDI из мотива декодера вероятности всплесков, наблюдаемого в анатомических исследованиях (71), требуется для контроля усиления дендритного сигнала, в то же время поддерживая короткие и разреженные всплески.Такой механизм необходим для оптимальной передачи информации в мультиплексированном нейронном коде.

    Рис. 6.

    Подавление дендритной обратной связи управляет усилением мультиплексирования. ( A ) Схематическое представление смоделированной сети. ( B ) Размер пакета, усредненный по смоделированным входным условиям с FDI и без него. ( C ) Зависимость частоты возбуждения TPN от соматического входа для трех различных амплитуд дендритных входных импульсов (0 пА, 200 пА и 400 пА). Врезка показывает приближение близко к началу скорострельности.( D ) Зависимость вероятности всплеска от дендритного входа для трех различных соматических входных амплитуд (0 пА, 200 пА и 400 пА). Более толстая линия показывает реакцию с самым сильным соматическим вкладом. ( E–H ) То же, что и в A–D , но с заменой дисинаптического торможения гиперполяризующим током (430 пА). В этом случае вероятность взрыва обычно уменьшается с соматическим входом ( H ). Звездочки в B и F указывают на значительную разницу (критерий Уэлча t , P <0.0001). Пунктирные линии в C , D , G и H показывают реакцию в отсутствие ПИИ (соответствует толстым линиям на рис. 2).

    Обсуждение

    Мы представили нейронный код, способный одновременно передавать два потока информации через единый нейронный ансамбль. Эта нейронная реализация мультиплексирования отличается от мультиплексирования с разделением по времени (23, 72) и мультиплексирования с разделением по частоте (18) и специфична для связи с последовательностями шипов.В отличие от одноклеточного пакетного кодирования (34), мы обнаружили, что ансамблевое пакетное кодирование может кодировать быстро меняющиеся входные данные, хотя скорость обработки может быть ограничена биофизическими свойствами активных дендритов. Этот код оптимален для коротких и разреженных вспышек, что согласуется с наблюдаемой вспышкой в ​​клетках L2–3 и L5B (47). Наконец, мы продемонстрировали в моделировании, как ансамблевое мультиплексирование предлагает определенные мотивы подключения для демультиплексирования пакетно-кодированной информации. Мы считаем, что этот нейронный код удовлетворяет потребность в передаче различных величин в направлениях сверху вниз и снизу вверх через одни и те же нейроны.

    Расширения мультиплексирования.

    Противодействует ли БЭМ мультиплексированию с частотным разделением каналов? Мультиплексирование с частотным разделением было предложено на основе экспериментальных наблюдений (15, 17). Теоретически пакетное кодирование может дополнять этот тип кода, поскольку разные типы событий могут синхронизироваться с разными полосами частот. Эта идея подтверждается экспериментальными данными двух исследований на нечеловеческих приматах. В первом исследовании (73) было показано, что всплески синхронизируются с отдельными полосами потенциала локального поля по сравнению с одиночными всплесками.Во втором исследовании (17) показано, что взаимная информация между сенсорными стимулами и нейронными реакциями увеличивается, когда в дополнение к потенциалу локального поля учитываются паттерны спайков. Кроме того, в этом исследовании интересно отметить, что взаимная информация увеличивается еще больше, когда в дополнение к частоте импульсов учитываются модели спайков, в количестве, согласующемся с нашими выводами. Поэтому мы не можем исключать, что пиковые временные паттерны могут сочетаться с мультиплексированием с частотным разделением каналов.

    Для ясности изложения мы ограничили обсуждение различием между синглетами и всплесками. Было высказано предположение, что размер пакетов может кодировать дополнительную информацию (29, 74). Можно обобщить БЭМ для захвата трех различных входных данных, управляющих тремя типами событий, а именно синглетами, короткими вспышками и длинными всплесками. Постсинаптическое декодирование такого сложного временного ансамблевого кода, вероятно, потребует сложной динамики СТП (75), однако, возможно, в сочетании с микросхемами.

    Возможные роли для мультиплексирования.

    Мультиплексирование позволяет увеличить объем информации, передаваемой фиксированным числом аксонов. Таким образом, это могло бы стать решением проблем, связанных с энергетическими и пространственными ограничениями, связанными с отправкой информации на большие расстояния. Известно, что TPN проецируются на подкорковые мишени, включая бугорки, мост и продолговатый мозг (76). Аксоны TPNs в аксонах моторной коры, как известно, длинные, так как эти синапсы соединяются с моторными нейронами в спинном мозге (77).Нейроны в слое 5 также посылают меньшее количество аксонов к другим внутриполушарным (78) или межполушарным (76) мишеням коры головного мозга. Поскольку в большинстве этих проекций расстояние является значительным, энергетические затраты на выбросы высоки, и, возможно, возникло мультиплексирование для уменьшения количества энергии на бит.

    Другая линия экспериментальных данных свидетельствует о том, что одни и те же клеточные и синаптические механизмы, обеспечивающие мультиплексирование, необходимы для обучения (79) и восприятия (80). Во многих областях за пределами неокортекса всплески, в частности, связаны как с обучением (81, 82), так и с восприятием (14, 44).Хотя требуется дальнейшая теоретическая работа, это говорит о том, что пакетная передача делает больше, чем позволяет клеткам сохранять два типа информации без изменений на нескольких этапах обработки (рис. 7 ). Вместо этого обучающий сигнал в соответствии с мощным алгоритмом обучения (12) может последовательно изменяться сенсорной информацией по мере ее обратного распространения по сети (рис. 7 B ). Все это время сенсорная информация может подниматься по иерархии, не подвергаясь изменению сигналом, связанным с обучением.Чтобы пролить свет на эти вопросы, необходимы экспериментальный дизайн и анализ с учетом этого нейронного кода.

    Рис. 7.

    Возможные функциональные роли БЭМ. ( A ) Когда нисходящие соединения имеют STF с дисинаптическим торможением, нисходящая информация может распространяться вниз без изменений восходящей информацией через вероятность взрыва. Восходящие соединения с сильным STD могут передавать информацию снизу вверх даже при наличии сильного нисходящего влечения. ( B ) Когда нисходящие соединения имеют STF без мощного дисинаптического торможения, соединение восходящей и нисходящей информации, скорость всплеска, передается вниз.

    Ограничения мультиплексирования.

    Теоретические исследования частотного мультиплексирования показали, что этот тип мультиплексирования может кодировать изменяющуюся во времени информацию только для медленно меняющихся входных данных (83). Это теоретическое ограничение подтверждается экспериментальной оценкой относительного увеличения количества информации в фазе спайка по сравнению с частотой спайка (17). Хотя теоретически БЭМ не страдает от этого ограничения и может использоваться для передачи быстро меняющейся информации, свойства инициирования дендритных пиков на практике также ограничивают мультиплексирование медленно изменяющейся информацией.Более медленные флуктуации, наблюдаемые в областях более высокого порядка (84), предполагают, что это может быть эффективной стратегией кодирования, учитывая более медленную нисходящую информацию, попадающую на дендриты.

    Описанный здесь режим мультиплексирования пакетного кодирования ограничен режимом, в котором входные данные малы или умеренны. В TPN сильные соматические входы могут вызывать всплески потенциалов действия, что ставит под сомнение связь между дендритными входами и вероятностью всплесков. Поскольку режим, при котором может возникнуть мультиплексирование (рис.2) четко отражается в частоте событий ансамбля и вероятности всплеска, эксперименты могли бы оценить, поддерживаются ли TPN в этом режиме или может ли ансамбль переключаться между мультиплексированием и классическим кодированием скорости. Могут ли описанные здесь тормозные мотивы уловить это переключение режимов — вопрос, который выходит за рамки данного исследования.

    Еще одно ограничение заключается в предположении, что всплески вероятностно преобразуются в всплески независимо между нейронами. Следовательно, дендриты должны находиться в асинхронном состоянии со слабыми парными корреляциями.Это асинхронное состояние было предложено для обеспечения быстрого (85) и эффективного (86) кодирования. В наших симуляциях асинхронное состояние имитировалось значительным фоновым шумом, который эффективно десинхронизировал и линеаризовал ответы как соматических, так и дендритных компартментов. Физиологическая основа этого фонового шума может заключаться в стохастической активации ионных каналов (87⇓–89), а также в состоянии сбалансированного возбуждения и торможения, которое, как известно, способствует парной декорреляции (48, 90) и может быть подтверждено гомеостатической тормозной синаптической пластичностью (91).Мы утверждали, что ПИИ могут удерживать ТПС в состоянии коротких и редких всплесков; естественно предположить, что FDI также может обеспечивать асинхронную дендритную активность. Следовательно, ансамблевое кодирование всплесков требует синергетической координации между механизмами всплесков одиночных клеток, морфологическими мишенями различных входных потоков на этих клетках и мотивами нейронных цепей. Остается открытым вопрос, могут ли признаки такой координации быть обнаружены в различных нейронных системах.

    Общая значимость.

    Предложенный код может действовать и в других отделах центральной нервной системы, где наблюдается разрыв. Теперь мы можем очертить несколько структурных требований и предсказаний:

    Разреженный взрыв.

    При регистрации одной ячейки в стационарном и бодрствующем состоянии всплески должны быть относительно редкими и короткими.

    Мультиплексная настройка.

    Следует учитывать разницу между настройкой усредненной по пробам вероятности всплеска и настройкой частоты событий.

    Линеаризация пакетного кода.

    Ингибирование с прямой связью, ингибирование с обратной связью, адаптация и собственный шум — это механизмы клеточного уровня, которые могут опосредовать линеаризацию ансамблевой скорости. Эти механизмы должны наблюдаться в отсеке, отвечающем за модуляцию вероятности всплеска.

    Мы кратко обсудим их в связи с разрывами в ELL, мозжечке, таламусе, гиппокампе и неокортексе.

    Разреженный разрыв.

    В нервной системе всплески, как правило, гораздо менее многочисленны, чем изолированные спайки.В частности, вероятность всплеска, связанного с состоянием спокойного бодрствования, находится в диапазоне 10–30% в сенсорной коре (47), префронтальной коре (73), вентральном таламусе (92) и клетках Пуркинье (93). Во всех этих областях всплески также короткие, со средним числом спайков в гиппокампе от 2 до 4. В области СА1 гиппокампа всплески, как правило, намного длиннее, но также намного реже [стационарная вероятность всплеска между 1% и 2% (38)]. Эти наблюдения в целом соответствуют максимизации мультиплексированной информации (рис.4). Мы знаем только об одном исключении: зернистые клетки зубчатой ​​извилины запускают большую часть относительно длинных импульсов (94).

    Мультиплексная настройка.

    В экспериментах редко сообщается о настройке пакетных откликов. Когда это делается, частота единичных всплесков часто противопоставляется частоте всплесков, а не вероятности всплесков. В неокортексе вероятность вспышки связана с вниманием (73), восприятием (80) и, теоретически, сигналом ошибки (13). В ELL вероятность всплеска сигнализирует о других динамических характеристиках электрической стимуляции, чем тонические спайки (44).Эти наблюдения в общих чертах согласуются с мультиплексированием, но требуют целенаправленных исследований. Вопрос настройки вероятности всплеска был специально рассмотрен в недавнем исследовании клеток Пуркинье (93). Было показано, что вероятность всплеска настроена на направление ошибок саккад и что эта настройка противоположна направлению настройки простых спайков. Это формирует более строгое согласие с принципом пакетного мультиплексирования.

    Линеаризация пакетного кода.

    В неокортексе линеаризация, вероятно, реализуется за счет обратной связи и прямого торможения апикальных дендритов.Характерно, что пирамидальные клетки неокортекса посылают облегчающую связь с SOM и кратковременную депрессию к парвальбумин-позитивным (PV) клеткам (63, 95). Подтип клеток SOM, клетки Martinotti, специфически ингибирует дендриты и действует как мощный контроль дендритных шипов (30, 68, 69). Эти клетки также получают ингибирование от клеток PV (71). Таким образом, мы находим мотив ингибирования с обратной связью, соответствующий рис. 6 A . Кроме того, поскольку считается, что как таламокортикальные проекции, так и проекции коры сверху вниз проецируются как на апикальные дендриты, так и на клетки СОМ (96, 97), клетки СОМ могут контролировать ответ ансамбля посредством прямой связи, а также ингибирования обратной связи.Интересно, что таламокортикальные проекции следуют правилу STF на клетки SOM и STD на клетки PV (96). Медленная динамика мембранного потенциала клеток Мартинотти также кажется идеальной для кодирования медленно меняющейся информации, закодированной в виде всплесков (Fig. 3). Это говорит о том, что клетки Мартинотти хорошо приспособлены для кодирования вероятности всплеска и обеспечения целенаправленного ингибирования обратной связи с дендритами пирамидных клеток.

    В гиппокампе клетки SOM имеют сходные мотивы соединения и внутренние свойства с клетками Мартинотти.Таким образом, эти клетки могут сохранять разреженные и короткие всплески, одновременно линеаризируя ансамблевый ответ пирамидных клеток в области СА1 посредством ингибирования обратной связи и упреждения апикальных дендритов (70, 98). Сходным образом ингибирование, направленное на дендриты, может иметь ту же роль в линеаризации ответных вспышек ансамбля в мозжечке (99) и ELL (100). В таламусе всплеск посредством мощного торможения (101) потребует линеаризации и зависимости всплеска локального торможения.

    В заключение мы показали, как активным дендритам нужны микросхемы и STP для поддержки мультиплексированного нейронного кода. Прямая экспериментальная оценка этого кода может помочь нам установить, распространяется ли он на всю центральную нервную систему и какую алгоритмическую функцию он выполняет.

    значение пакетной передачи — определение пакетной передачи

    «взрывная передача» в предложении
    Значение Мобильный
    • [Электроника]
      Короткая передача на высокой скорости.Такой способ передачи экономит время, но увеличивает необходимую полосу пропускания сигнала во столько же раз, как отношение высокой скорости к исходной.
    Примеры
    • О, и он также способен к передаче коротких пакетов
    • С точки зрения дизайна, TCP Wave основан на парадигме пакетной передачи.
    • Должностные лица отметили, например, что в его машине не было разрывного передающего устройства.
    • Выдвигая радиомачту, подводная лодка также может использовать метод «пакетной передачи».
    • Пакетная передача занимает доли секунды, что сводит к минимуму риск обнаружения подводной лодки.
    • Или можно использовать специальную радиосвязь для отправки пакетной передачи с координатами цели авиадиспетчерам над головой.
    • Пакетная передача, однако, обеспечивает связь между оконечным оборудованием данных (DTE) и сетью передачи данных, работающей с разными скоростями передачи данных.
    • Поскольку пакетные передачи от разных ONU теперь могут иметь разные линейные скорости, этот метод называется «двухскоростной TDMA».
    • Это было необходимо, потому что советские подводные лодки начали использовать широкополосные пакетные передачи в начале 1960-х годов, чтобы их было труднее обнаружить.
    • С помощью переносного радиоответчика PRC112 летчик может отправлять пакетные передачи продолжительностью менее одной секунды на одной из пяти частот.
    • Другие примеры:  1  2  3
    Что означает пакетная передача и как определить пакетную передачу на английском языке? что означает пакетная передача в предложении? вспышка передачи значение,вспышка передачи определение, перевод, произношение, синонимы и примеры предложений предоставлены англ.ichacha.net.

    Индуцированное анестезией подавление активности ЭЭГ требует опосредованной глутаматом возбуждающей синаптической передачи | Кора головного мозга

    Аннотация

    Многие анестетики вызывают активность подавления всплесков электроэнцефалограммы (ЭЭГ) у людей и животных во время анестезии, и механизмы, лежащие в основе этой активности, остаются неясными. В настоящем исследовании использовали препарат ЭЭГ неокортикального мозга крысы для изучения возбуждающих синаптических механизмов, лежащих в основе активности подавления всплесков, вызванных анестетиками.Возбуждающие синаптические механизмы, связанные с активностью подавления всплесков, исследовали с использованием антагонистов рецепторов глутамата (CNQX и APV), антагонистов рецепторов ГАМК и одновременных записей ЭЭГ с пэтч-клэмпом цельных клеток и микроэлектродной записью. Клинически значимые концентрации тиопентала (50–70 мкМ), пропофола (5–10 мкМ) или изофлурана (0,7–2,1 об.%, 0,5–1,5 крысиная минимальная авеолярная концентрация (МАК), 200–700 мкМ) вызывали активность дельта-медленных волн и Паттерны подавления всплесков ЭЭГ аналогичны ответам in vivo .Эти эффекты на сигналы ЭЭГ блокировались антагонистами глутаматных рецепторов CNQX (8,6 мкМ) или APV (50 мкМ). Деполяризующие внутриклеточные всплески (амплитуда = 34,7 ± 4,5 мВ, полуширина = 132 ± 60 мс) всегда сопровождали всплески ЭЭГ, а гиперполяризация увеличивала амплитуды внутриклеточных всплесков. Шквал глутамат-опосредованных возбуждающих событий инициировал взрывную активность ЭЭГ. Опосредованные глутаматом возбуждающие постсинаптические токи были значительно подавлены более высокими концентрациями анестетиков, которые подавляли активность подавления всплесков ЭЭГ.Агонист GABA A вызывал на ЭЭГ тот же эффект, что и анестетики. Похоже, что анестезирующие эффекты как в глутаматных, так и в ГАМК синапсах вносят вклад в паттерны ЭЭГ, наблюдаемые во время анестезии.

    Введение

    Тиопентал, пропофол и изофлуран вызывают паттерны электроэнцефалограммы (ЭЭГ) с подавлением вспышек, которые были связаны с хирургическими уровнями анестезии (Eger et al. , 1971; Homer and Stanski, 1985; Ebrahim et al., 1994; MacIver и др. , 1996а; Джантти и др. , 1998 г.; Хартикайнен и Рорариус, 1999 г.; Казама и др. , 1999; Махон и др. , 2001; Хуотари и др. , 2004). Нейронная схема и физиологические механизмы, лежащие в основе активности подавления всплесков ЭЭГ, остаются до конца не выясненными. Предыдущие исследования показали, что индуцированная анестетиками активность подавления всплесков возникает в результате воздействия на внутренние цепи неокортекса (Swank, 1949; Henry and Scoville, 1952; Steriade et al., 1994a), подобные эпилептическим вспышкам, генерируемым в подрезанной неокортексе (Topolnik et al. , 2003), и была выдвинута гипотеза, что локальные возбуждающие входы, опосредованные глутаматом, запускают эти нейрональные всплески (Lukatch and MacIver, 1996; Hartikainen). and Rorarius, 1999; Mahon и др. , 2001).

    Возбуждающая передача проявляет различную чувствительность к общим анестетикам в отдельных областях мозга. Клинически значимые концентрации анестетиков подавляют передачу возбуждения в обонятельной коре и гиппокампе (Richards and White, 1975; Richards et al., 1975; MacIver и др. , 1996b), но не обонятельная луковица (Nicoll, 1972). Передача глутамата явно подавлена ​​анестетиками в неокортексе (el-Beheiry and Puil, 1989; Berg-Johnsen and Langmoen, 1992; Larsen et al. , 1994, 1998), но некоторые возбуждающие синаптические импульсы в неокортексе остаются во время анестезии. (Gonzalez-Burgos and Barrionuevo, 2001; Valentine и др. , 2004). Если индуцированная анестезией активность подавления всплесков свойственна неокортексу, а глутамат-опосредованные возбуждающие события запускают нейронные всплески, то значительные уровни глутаматергической передачи должны сохраняться в неокортексе во время индуцированной анестезией активности подавления всплесков.Однако, если клинически значимые концентрации анестетиков сильно подавляют глутаматергическую передачу в неокортексе и вызывают пачечную активность путем непосредственной активации внутренней проводимости нейронов (Hablitz and Johnston, 1981), то глутамат-опосредованное возбуждение может оказаться лишь второстепенным компонентом активности по подавлению пачек. Чтобы различить эти возможности, в настоящем исследовании использовалась подготовка срезов головного мозга неокортикальной ЭЭГ (Lukatch and MacIver, 1996, 1997) для изучения анестезирующих эффектов на неокортикальную возбуждающую передачу во время медленных волн ЭЭГ, подавления всплесков и изоэлектрической активности.

    Материалы и методы

    Подготовка срезов

    Эксперименты проводились на срезах головного мозга, выделенных от молодых самцов крыс Sprague-Dawley (80–120 г), полученных от Simonsen Laboratories, Inc. (Гилрой, Калифорния). Экспериментальные протоколы были одобрены Институциональным комитетом по уходу за животными Стэнфордского университета и соответствовали опубликованным рекомендациям Национального института здравоохранения, Общества неврологии и Американского физиологического общества. Крыс анестезировали диэтиловым эфиром и извлекали головной мозг в холодную (1–2°С) оксигенированную искусственную спинномозговую жидкость (ИКЧС).{{-}}{\,}1,25;\)

    и глюкоза 10. Мозг разрезали в коронарной плоскости на срезы толщиной 450 мкм с использованием Vibratome (Vibraslice ® Series 1000, Boston, MA). Перед записью срезы разрезали пополам и помещали на фильтровальную бумагу в камеру для восстановления на границе раздела увлажненной карбогенной (O 2 /CO 2 95/5%) газовой фазы и жидкой фазы ACSF. Срезам из обоих полушарий давали по крайней мере 1 час для восстановления после процедуры нарезки перед погружением в ACSF в записывающей камере.ACSF насыщали газообразным карбогеном и перфузировали со скоростью 2,0 мл/мин при комнатной температуре (21–24°C). Быстрые и точные изменения растворов производились с использованием компьютеризированной перфузионной системы ValveBank8™ (AutoMate Scientific, Окленд, Калифорния).

    Запись ЭЭГ и спектральный анализ

    ЭЭГ-колебания контрольной частоты тета (4–8 Гц) вызывались в неокортексе Oc2MM в присутствии карбахола (100 мкМ) и бикукуллина (10 мкМ), как описано ранее (Lukatch and MacIver, 1996, 1997).Внеклеточные стеклянные электроды с низким сопротивлением, заполненные АЦСЖ, регистрировали сигналы ЭЭГ во 2/3 слоях неокортекса (рис. 1). В некоторых экспериментах сигналы ЭЭГ вызывали электрической стимуляцией (6 В, 500 мкс, 0,033 Гц) нижележащего белого вещества и/или глубокого слоя 6. Сигналы ЭЭГ усиливали в ×10 000–50 000 (модель 210A, Brown-Lee Precision). , Сан-Хосе, Калифорния), полоса пропускания с фильтрацией 1–30 Гц, режекция 60 Гц (Cyberamp 380, Axon Instrument Co., Фостер-Сити, Калифорния), оцифровка 512–2048 Гц (DataWave Technologies Corp., Лонгмонт, Колорадо) и сохраняется на диске компьютера для дальнейшего анализа. Спектральная количественная оценка ЭЭГ была выполнена с использованием быстрого преобразования Фурье (БПФ) на 2,5-секундных периодах данных с использованием программного обеспечения DataWave.

    Рисунок 1.

    Методика сбора и анализа данных. ( A ) Стимулирующие (STIM), положения электродов для записи целых клеток и ЭЭГ показаны на срезе неокортального мозга крысы. ( B ) В присутствии карбахола и бикукуллина одновременная запись ЭЭГ и целых клеток выявила внутри- и внеклеточные колебания тета-частоты.( C ) Для количественной оценки активности подавления всплесков использовали двухамплитудный дискриминационный анализ. При каждом электрически стимулированном развертке данных (10 с) были обнаружены тета- и всплесковые события (см. методы). Когда отрицательный пик осцилляции попадал между тета-порогами (пунктирная линия), тета-событие оценивалось. Пиковые отрицательные значения, попадающие между порогами всплесков (сплошная линия), считались событиями всплесков. Общий подсчет для каждой развертки данных обеспечил количественную оценку сигналов ЭЭГ в контрольных условиях (а), а также во время переходных периодов, вызванных анестезией (б) и подавления пачек (в).Исходные события, связанные с электрической стимуляцией, не были включены в анализ (серый прямоугольник). ( D ) Счетчики тета- и всплесков были нанесены на отдельные гистограммы, где каждая полоса представляла одну развертку данных с электрической стимуляцией. Высота столбцов указывает количество событий, наблюдаемых во время каждой развертки данных (см. рис. 3). ( E ) Методика анализа EPSC. Необработанные данные были сглажены и инвертированы для частотного анализа. Затем была рассчитана первая производная (d V /d t ) этой формы волны, и пороговый детектор (штриховая линия) был установлен на уровень шума 2 × RMS.Каждое положительное пересечение наклона порогового детектора оценивалось как одно событие. Обратите внимание, что в сглаженном и инвертированном сигнале каждое совмещенное событие (*) было бы ошибочно оценено как единственное событие. Тем не менее, после приема производной, совмещенные EPSC разрешались как отдельные события. ( F ) Для кинетического анализа пороговый детектор (пунктирная линия) был установлен таким образом, чтобы можно было обнаружить только EPSC большой амплитуды. Каждое обнаруженное событие извлекалось, а извлеченные EPSC усреднялись.Кинетические параметры, измеренные по усредненным ответам, включали время нарастания (RT), третью ширину (TW) и половину ширины (HW). Постоянные времени затухания (Est. TAU) оценивались путем вычитания времени нарастания из времени, равного одной трети ширины.

    Рисунок 1.

    Методика сбора и анализа данных. ( A ) Стимулирующие (STIM), положения электродов для записи целых клеток и ЭЭГ показаны на срезе неокортального мозга крысы. ( B ) В присутствии карбахола и бикукуллина одновременная запись ЭЭГ и целых клеток выявила внутри- и внеклеточные колебания тета-частоты.( C ) Для количественной оценки активности подавления всплесков использовали двухамплитудный дискриминационный анализ. При каждом электрически стимулированном развертке данных (10 с) были обнаружены тета- и всплесковые события (см. методы). Когда отрицательный пик осцилляции попадал между тета-порогами (пунктирная линия), тета-событие оценивалось. Пиковые отрицательные значения, попадающие между порогами всплесков (сплошная линия), считались событиями всплесков. Общий подсчет для каждой развертки данных обеспечил количественную оценку сигналов ЭЭГ в контрольных условиях (а), а также во время переходных периодов, вызванных анестезией (б) и подавления пачек (в).Исходные события, связанные с электрической стимуляцией, не были включены в анализ (серый прямоугольник). ( D ) Счетчики тета- и всплесков были нанесены на отдельные гистограммы, где каждая полоса представляла одну развертку данных с электрической стимуляцией. Высота столбцов указывает количество событий, наблюдаемых во время каждой развертки данных (см. рис. 3). ( E ) Методика анализа EPSC. Необработанные данные были сглажены и инвертированы для частотного анализа. Затем была рассчитана первая производная (d V /d t ) этой формы волны, и пороговый детектор (штриховая линия) был установлен на уровень шума 2 × RMS.Каждое положительное пересечение наклона порогового детектора оценивалось как одно событие. Обратите внимание, что в сглаженном и инвертированном сигнале каждое совмещенное событие (*) было бы ошибочно оценено как единственное событие. Тем не менее, после приема производной, совмещенные EPSC разрешались как отдельные события. ( F ) Для кинетического анализа пороговый детектор (пунктирная линия) был установлен таким образом, чтобы можно было обнаружить только EPSC большой амплитуды. Каждое обнаруженное событие извлекалось, а извлеченные EPSC усреднялись.Кинетические параметры, измеренные по усредненным ответам, включали время нарастания (RT), третью ширину (TW) и половину ширины (HW). Постоянные времени затухания (Est. TAU) оценивались путем вычитания времени нарастания из времени, равного одной трети ширины.

    Двухамплитудный дискриминационный анализ ЭЭГ

    Импульсные разряды обычно измеряют по меньшей мере вдвое большую амплитуду тета-колебаний in vivo (MacIver et al. , 1996a) и in vitro (Lukatch and MacIver, 1996). Эта разница амплитуд в ЭЭГ использовалась для количественной оценки активности подавления всплесков, вызванных анестезией.Активность ЭЭГ оценивали по активности подавления всплесков, когда сигналы ЭЭГ пересекали заданный порог амплитуды. В каждом эксперименте порог амплитуды был установлен на 110% от максимальных тета-амплитуд, наблюдаемых в контрольных условиях (рис. 1 C , D ).

    Регистрация возбуждающих постсинаптических токов (EPSC)

    Цельноклеточные (уплотнение> 1 ГОм) патч-микроэлектроды (4–8 МОм), содержащие внутренний раствор, состоящий из (в мМ): K-глюконата, 100; ЭГТА, 10; MgCl 2 , 5; свободная кислота HEPES, 40; АТФ, 0.3; и ГТФ, 0,3, рН 7,2, 280-290 мОсм. Записи целых клеток были получены из нейронов слоя 2/3 в неокортексе Oc2MM (Lukatch and MacIver, 1997). Сигналы усиливали в 50–1000 раз (Cyberamp 380, Axon Instrument Co.), фильтровали низкие частоты <10 кГц (Axon Instrument Co.), оцифровывали на частоте 10 кГц (DataWave Technologies Corp.) и сохраняли на диске компьютера для дальнейшего анализа. Сопротивление доступа к целой ячейке в среднем составляло 26,8 ± 10,4 МОм и варьировалось от 13 до 50 МОм.

    Сглаживание данных EPSC

    Для улучшения анализа частотных данных EPSC спонтанная активность была сглажена и инвертирована с помощью программного обеспечения DataWave (рис.1 E ). Алгоритм сглаживания вычислял скользящие средние и стандартные отклонения для девяти точек данных одновременно. Точки данных за пределами 1 стандартного отклонения были удалены и заменены новыми точками с использованием линейной интерполяции между соседними точками данных. Это окно сглаживания с девятью точками перемещалось по данным по одной точке за раз. Полученные сглаженные данные EPSC обеспечили относительно бесшумный сигнал для последующего анализа d V /d t (ниже).

    Частотный анализ EPSC

    Одним из способов расчета частоты EPSC является установка детектора уровня и оценка каждого пересечения порога как одного EPSC.Тем не менее, новые EPSC часто возникают до полного распада предыдущих EPSC. Этот эффект «совмещения» приводит к недооценке частоты ВПСТ, поскольку совмещенные ВПСТ пересекают пороговый детектор только один раз, в результате чего несколько когерентных во времени ВПСТ оцениваются как одно событие. Чтобы обойти эту проблему, пики EPSC выборочно усиливались путем взятия производной каждой односекундной развертки данных, как описано ранее (Cohen et al. , 1992). Результирующая форма волны показала острые пики большой амплитуды, которые соответствовали отдельным EPSC.Эти дериватизированные данные затем были проанализированы путем установки порогового детектора примерно в два раза выше уровня шума сигнала (рис. 1-E). Все пики выше этого порога оценивались как отдельные события.

    Кинетический анализ EPSC

    Для каждого экспериментального условия были извлечены ВПСТ с наибольшей амплитудой путем установки порогового детектора таким образом, чтобы ∼10% всех ВПСТ пересекали этот порог. Извлеченные EPSC включали 10 мс данных до порогового пересечения и 100 мс данных после порогового пересечения.После этого первоначального автоматического извлечения извлеченные события были визуально исследованы, и все события, содержащие более одного EPSC (т. е. дополнительные события), были отклонены. Оставшиеся единичные ВПСТ усреднялись, и кинетические параметры рассчитывались по этим усредненным ответам. Измеряемыми кинетическими параметрами были время нарастания, половина ширины и одна треть ширины (рис. 1 F ). Время тау-затухания EPSC было аппроксимировано путем вычитания времени нарастания из времени, равного одной трети ширины.

    Фармакологические агенты

    Изофлуран был получен от Abbott Laboratories (Северный Чикаго, Иллинойс).Пропофол был получен от Zeneca Pharmaceuticals (Уилмслоу, Чешир, Великобритания), тиопентал и хлорид карбамилхолина (карбахол) были получены от Sigma (Сент-Луис, Миссури). (-)-бикукуллина метиодид, (±)-2-амино-5-фосфоновалериановая кислота (APV) и 6-циано-7-нитрохиноксалин-2,3-дион (CNQX) были предоставлены компанией Research Biochemicals International (Натик, Массачусетс). . Все растворы готовили на воде спектрофотометрического качества (OmniSolv), поставляемой EM Science (Гиббстаун, Нью-Джерси). Химикаты для растворов ACSF и электродов были не ниже реагентной чистоты и получены от J.T. Baker Inc. (Филадельфия, Пенсильвания).

    Результаты

    Анестетики изменили активность ЭЭГ

    Тиопентал, пропофол и изофлуран оказывали качественно сходные эффекты на ЭЭГ-активность среза неокортекса головного мозга; колебания тета-частоты (4–8 Гц) сменялись дельта-активностью (1–4 Гц), затем пачечной супрессией, а затем изоэлектрической активностью (рис. 2). Анализ быстрого преобразования Фурье (БПФ) эффективно определял тета- и дельта-активность, но не подходил для описания индуцированной анестезией активности подавления всплесков из-за апериодического характера этой активности.Для определения концентраций анестетиков, которые надежно вызывали активность подавления всплесков в срезах головного мозга, был разработан двухамплитудный дискриминационный анализ (см. методы, рис. 1, , C , , D ).

    Рисунок 2.

    Клинически значимые концентрации тиопентала, пропофола и изофлурана вызывали прогрессивные изменения активности ЭЭГ в срезах неокортекса, сходные с изменениями ЭЭГ, вызванными анестезией, наблюдаемыми in vivo. Двухсекундные записи, сопровождаемые быстрым преобразованием Фурье (a–g), показывают, что тиопентал, пропофол и изофлуран вызывали начальное замедление активности ЭЭГ от тета (4.0–6,0 Гц) до дельта-частот (1,0–4,0 Гц). Это замедление сопровождалось появлением всплеск-подавляющей активности (BURST), характеризующейся всплесками большой амплитуды (> 200 мкВ), разделенными короткими периодами (обычно 0,5–2,5 с) изоэлектрической активности. Продолжительное применение анестетика приводило к постепенному увеличению периодов изоэлектрической активности между импульсами. Вымывание анестетика начиналось, когда изоэлектрические периоды превышали 5 мин (ISO). При отмывании анестетика наблюдалась обратная прогрессия состояний ЭЭГ.

    Рис. 2.

    Клинически значимые концентрации тиопентала, пропофола и изофлюрана вызывали прогрессивные изменения активности ЭЭГ в срезах неокортекса, сходные с изменениями ЭЭГ, вызванными анестезией, наблюдаемыми in vivo. Двухсекундные записи, сопровождаемые быстрым преобразованием Фурье (a–g), показывают, что тиопентал, пропофол и изофлюран вызывали начальное замедление активности ЭЭГ от тета (4,0–6,0 Гц) до дельта (1,0–4,0 Гц) частот. Это замедление сопровождалось появлением активности подавления всплесков (BURST), характеризующейся всплесками большой амплитуды (> 200 мкВ), разделенными короткими периодами (обычно 0.5–2,5 с) изоэлектрической активности. Продолжительное применение анестетика приводило к постепенному увеличению периодов изоэлектрической активности между импульсами. Вымывание анестетика начиналось, когда изоэлектрические периоды превышали 5 мин (ISO). При отмывании анестетика наблюдалась обратная прогрессия состояний ЭЭГ.

    Анестетики, исследованные в настоящем исследовании, вызывали активность подавления всплесков и устраняли колебания тета-частоты, подобно их эффектам in vivo (рис. 3) (Ogawa et al., 1992; Томода и др. , 1993; Махон и др. , 2001; Хуотари и др. , 2004). Амплитуда тета-колебаний существенно не уменьшалась при переходе от тета-активности к активности подавления всплесков; скорее, тета-активность «распадалась» на меньшее количество синхронизированных событий (рис. 1 C «переход»), что приводило к уменьшению общего числа тета-колебаний, учитываемых за развертку данных. Высокие концентрации анестетика регулярно переводили ЭЭГ-сигналы непосредственно в изоэлектрическую активность, при этом подавление всплесков наблюдалось только при вымывании анестетика (рис.3). Каждый анестетик демонстрировал свой кинетический профиль, при этом эффекты изофлюрана проявлялись наиболее быстро, за ним следовал тиопентал, а затем пропофол.

    Рис. 3.

    Гистограммы, полученные в результате двухамплитудного дискриминационного анализа, показывают величину и временную динамику индуцированных анестетиком эффектов на тета-активность и активность подавления всплесков ЭЭГ. Во всех экспериментах тиопентал, пропофол и изофлуран заметно уменьшали количество тета-осцилляций, одновременно увеличивая взрывную активность.Увеличение концентрации анестетиков способствовало этим эффектам. Обратите внимание, что высокие концентрации анестетика приводили к изоэлектрической активности (отсутствие тета и импульсов). Буквы нижнего регистра соответствуют времени, когда развертки необработанных данных анализировались с помощью преобразования Фурье на рисунке 2.

    рисунок 3.

    тета- и пачечно-супрессивная ЭЭГ-активность.Во всех экспериментах тиопентал, пропофол и изофлуран заметно уменьшали количество тета-осцилляций, одновременно увеличивая взрывную активность. Увеличение концентрации анестетиков способствовало этим эффектам. Обратите внимание, что высокие концентрации анестетика приводили к изоэлектрической активности (отсутствие тета и импульсов). Буквы нижнего регистра соответствуют времени, когда развертки необработанных данных анализировались с помощью анализа преобразования Фурье на рисунке 2.

    Действие анестетика на активность ЭЭГ среза мозга зависело от концентрации.Подавляющая активность была преобладающей при концентрациях анестетика в следующих диапазонах: 50–70 мкМ тиопентала, 5–10 мкМ пропофола и 0,7–1,4 об.% (0,5–1,0 крысиная МАК, 200–400 мкМ; White et al. , 1974). ) изофлюран (рис. 3). Изоэлектрическая активность преобладала при концентрациях анестетиков ≥100 мкМ тиопентала, 20 мкМ пропофола и 2,1 об.% (~600 мкМ) изофлурана. Активность подавления всплесков также проявлялась агонистом рецептора GABA A мусцимолом (10 мкМ), как сообщалось ранее (Lukatch and MacIver, 1996).

    С помощью антагонистов глутаматных рецепторов удалось перевести стационарную активность ЭЭГ с подавлением всплесков в изоэлектрическое состояние (рис. 4 A ). Взрывная активность обратимо блокировалась либо APV (50 мкМ, n = 5), антагонистом рецептора NMDA, либо CNQX (8,6 мкМ, n = 3), антагонистом АМРА/каинатного рецептора.

    Рисунок 4.

    Глутамат-опосредованные деполяризующие токи лежат в основе взрывной активности.( A ) Активность по подавлению спонтанных всплесков проявлялась и поддерживалась в присутствии 50 мкМ тиопентала. Антагонист NMDA-рецепторов APV (50 мкМ) обратимо вызывал переход активности ЭЭГ от подавления пачек к изоэлектрической активности. ( B ) В присутствии 70 мкМ тиопентала одновременные записи ЭЭГ и целых клеток показали, что отдельные нейроны вспыхивают синхронно с всплесками популяции. Однако не каждый всплеск в пределах одного нейрона сопровождался всплеском популяции (*).Временная связь между разрядом нейронов и всплесками популяции может быть изменена посредством гиперполяризации мембранного потенциала. При потенциале покоя (-60 мВ) пиковые разряды происходили до всплесков популяции (обратите внимание на вертикальные пунктирные линии). Когда клеточная мембрана была гиперполяризована до -88 мВ, активность разряда нейронов следовала за всплесками популяции. ( C ) Расширенные кривые (подчеркнутые в B ) показывают, что гиперполяризация мембран привела к уменьшению спайковых разрядов и большей амплитуде деполяризации во время взрывных событий.Обратите внимание, что спонтанные ВПСП, опосредованные глутаматом (↓), также увеличивались по амплитуде с усилением гиперполяризации мембраны. ( D ) Эпохи активности подавления всплесков электрически вызывали каждые 30 с в присутствии 0,35 об.% изофлурана. ( E ) Индуцированные изофлюраном всплески в отдельных клетках были синхронны с популяционными всплесками. ( F ) Расширенные кривые из ( E подчеркнуты) показывают, что гиперполяризация мембран увеличивает деполяризацию, связанную со всплесками изофлюрана, и снижает активность разряда спайков, аналогично результатам с тиопенталом ( C ).

    Рис. 4.

    Глутамат-опосредованные деполяризующие токи лежат в основе пачечной активности. ( A ) Активность по подавлению спонтанных всплесков проявлялась и поддерживалась в присутствии 50 мкМ тиопентала. Антагонист NMDA-рецепторов APV (50 мкМ) обратимо вызывал переход активности ЭЭГ от подавления пачек к изоэлектрической активности. ( B ) В присутствии 70 мкМ тиопентала одновременные записи ЭЭГ и целых клеток показали, что отдельные нейроны вспыхивают синхронно с всплесками популяции.Однако не каждый всплеск в пределах одного нейрона сопровождался всплеском популяции (*). Временная связь между разрядом нейронов и всплесками популяции может быть изменена посредством гиперполяризации мембранного потенциала. При потенциале покоя (-60 мВ) пиковые разряды происходили до всплесков популяции (обратите внимание на вертикальные пунктирные линии). Когда клеточная мембрана была гиперполяризована до -88 мВ, активность разряда нейронов следовала за всплесками популяции. ( C ) Расширенные кривые (подчеркнутые в B ) показывают, что гиперполяризация мембран привела к уменьшению спайковых разрядов и большей амплитуде деполяризации во время взрывных событий.Обратите внимание, что спонтанные ВПСП, опосредованные глутаматом (↓), также увеличивались по амплитуде с усилением гиперполяризации мембраны. ( D ) Эпохи активности подавления всплесков электрически вызывали каждые 30 с в присутствии 0,35 об.% изофлурана. ( E ) Индуцированные изофлюраном всплески в отдельных клетках были синхронны с популяционными всплесками. ( F ) Расширенные кривые из ( E подчеркнуты) показывают, что гиперполяризация мембран увеличивает деполяризацию, связанную со всплесками изофлюрана, и снижает активность разряда спайков, аналогично результатам с тиопенталом ( C ).

    Ответы целых клеточных нейронов во время импульсов ЭЭГ неокортекса

    Записи целых клеток нейронов слоев 2/3 и 5 использовались для изучения клеточных событий, лежащих в основе активности подавления всплесков. В присутствии любого из трех анестетиков всплески ЭЭГ имели амплитуду от 150 до 600 мкВ и обычно возникали группами из 2–6 всплесков с частотой между вспышками ~0,3–0,8 Гц. Кластеры вспышек возникали спонтанно каждые 15–40 с, а также могли быть вызваны электрической стимуляцией (6 В, 250 мкс, 0.033 Гц). Всплески, зарегистрированные как при приеме тиопентала, пропофола, так и изофлурана, оказались сходными по своей природе (рис. 4), при этом внутриклеточные деполяризации всегда сопровождали всплески ЭЭГ. Всплески ЭЭГ, однако, не всегда были связаны с внутриклеточной деполяризацией, даже когда эти деполяризации вызывали активность нейронного разряда (рис. 4 ). Способность отдельных нейронов запускать всплески ЭЭГ исследовали с помощью импульсов деполяризующего тока для запуска потенциалов действия в периоды покоя активности подавления всплесков ЭЭГ.В восьми исследованных нейронах повторяющаяся активность нейронных разрядов (> 6 потенциалов действия на деполяризующий импульс, импульсы 0,02 Гц в течение 3 минут) не вызывала и не увлекала за собой взрывную активность ЭЭГ.

    Амплитуды внутриклеточных вспышек, полуширина и количество потенциалов действия в каждой вспышке были количественно определены в токах нейронов, зажатых при их потенциале покоя (от -62 до -70 мВ). Амплитуды всплесков измерялись от исходного уровня до максимальной деполяризации, лежащей в основе разрядов потенциала действия. Амплитуды варьировались от 24.от 0 до 44,1 мВ и в среднем 34,7 ± 4,5 мВ [ n = 60 импульсов от пяти нейронов, подвергшихся воздействию либо тиопентала (70 мкМ, 2 клетки), либо изофлурана (0,7 об.%, 1 клетка; 1,4 об.%, 2 клетки)] . Полуширина внутриклеточных вспышек колебалась от 70 до 360 мс и в среднем составляла 132 ± 60 мс. Внутриклеточные всплески обычно вызывали разряды потенциала действия при мембранных потенциалах покоя, а количество потенциалов действия на всплеск зависело от мембранного потенциала (рис. 4 C ). В покое количество потенциалов действия, связанных с внутриклеточными вспышками, колебалось от одного до восьми спайков и в среднем составляло 3.2 ± 1,1 потенциала действия на всплеск ( n > 80 вспышек в шести клетках). Гиперполяризующие нейроны с введенным током всегда приводили к внутриклеточным всплескам большей амплитуды с меньшим количеством потенциалов действия.

    Часто продолжалась спонтанная вспышка активности, вызванная тиопенталом или изофлураном, за которой следовала череда возбуждающих событий (рис. 5). Эти возбуждающие постсинаптические потенциалы (ВПСП) имеют тенденцию нарастать по амплитуде и частоте сразу после первого всплеска в кластере вспышек.Интересно, что возникновение усиленных возбуждающих событий на протяжении всего кластера вспышек было переменным; интервалы между вспышками могут практически не содержать возбуждающих событий или могут быть перемежаются интенсивными залпами ВПСП большой амплитуды. Нейроны с зажимом напряжения при различных удерживающих потенциалах показали, что возбуждающие заграждения увеличивались по амплитуде при прогрессивно более отрицательных мембранных потенциалах (рис. 5). После прекращения заграждения отдельные возбуждающие постсинаптические токи (EPSC) снова можно было различить.

    Рисунок 5.

    Возбуждающие события усиливались во время индуцированной анестезией взрывной активности ЭЭГ. Записи токовых зажимов целых клеток во время спонтанно возникающих вспышек активности ЭЭГ показали, что кластеры вспышек регулярно ассоциировались с увеличением частоты и амплитуды ВПСП в присутствии изофлурана (1 МАК). Расширенные трассы (выделенные рамкой области) показывают этот эффект во время инициации и прекращения пакетного кластера. Запись зажима напряжения всей клетки показала, что амплитуды возбуждающих событий увеличивались с гиперполяризацией мембранного потенциала.Заграждения EPSC (обведенные прямоугольником области a–c) отображаются в более быстрой шкале времени, чтобы можно было различить отдельные EPSC (нижние шкалы шкалы). На вставках показаны расширенные развертки продолжительностью 1 с из нижних рамок.

    Рис. 5.

    Возбуждение увеличилось во время пачечной активности ЭЭГ, вызванной анестезией. Записи токовых зажимов целых клеток во время спонтанно возникающих вспышек активности ЭЭГ показали, что кластеры вспышек регулярно ассоциировались с увеличением частоты и амплитуды ВПСП в присутствии изофлурана (1 МАК).Расширенные трассы (выделенные рамкой области) показывают этот эффект во время инициации и прекращения пакетного кластера. Запись зажима напряжения всей клетки показала, что амплитуды возбуждающих событий увеличивались с гиперполяризацией мембранного потенциала. Заграждения EPSC (обведенные прямоугольником области a–c) отображаются в более быстрой шкале времени, чтобы можно было различить отдельные EPSC (нижние шкалы шкалы). На вставках показаны расширенные развертки продолжительностью 1 с из нижних рамок.

    Влияние изофлюрана на неокортикальные EPSC

    Эффекты изофлурана на частоту, амплитуду и кинетику ВПСК неокортикальной области исследовали с использованием записей фиксации напряжения целых клеток в нейронах неокортикального слоя 2/3.В этих экспериментах контрольные условия не включали фон карбахола и бикукуллина в перфузате ACSF, поскольку там, где это не требовалось, индуцировались тета-осцилляции. Все нейроны ( n = 37) были зафиксированы по напряжению при их мембранном потенциале покоя, который в контрольных условиях колебался от -66 до -79 мВ (среднее ± SD = 70,8 ± 2,8 мВ, n = 30). Чтобы подтвердить, что возбуждающие события были опосредованы глутаматом, спонтанные ВПСТ неокортекса можно было заблокировать с помощью антагонистов глутаматных рецепторов CNQX (8.6 мкМ) и APV (50 мкМ) (рис. 6 A ; n = 5). Большинство (>95%) спонтанных ВПСТ были нечувствительны к блокатору натриевых каналов ТТХ (рис. 6 B ; n = 2), что указывает на то, что эти ВПСТ, вероятно, возникли в результате независимого от потенциала действия высвобождения глутамата непосредственно из нерва. терминалы (Hershkowitz и др. , 1993; Cormier and Kelly, 1996).

    Рисунок 6.

    Спонтанные неокортикальные ВПСТ требуют активации глутаматных рецепторов и не зависят от потенциала действия.( A ) Вверху: последовательные развертки (длиной 5 с в течение 30 с) показывают активность EPSC в контроле, CNQX/APV и условиях восстановления. В присутствии антагонистов глутаматных рецепторов CNQX/APV активность ЭПСТ практически полностью блокировалась. Внизу: гистограмма измерителя скорости показывает, что частота ВПСТ в контрольных условиях составляла ~ 5,5 Гц в этом нейроне, в то время как кратковременное применение CNQX/APV снижало частоту ВПСТ до <0,5 Гц. После 20 мин вымывания частота ВПСТ вернулась к ~3 Гц. ( B ) Вверху: последовательные развертки (3 с) показывают активность EPSC в контроле, условиях TTX и CNQX/APV.Блокатор натриевых каналов ТТХ практически не влиял на частоту или амплитуду ВПСТ, в то время как CNQX/APV блокировал все спонтанные события. Внизу: гистограмма измерителя скорости показывает, что частота ВПСТ в контрольных условиях в этом нейроне составляла от 2,5 до 3,0 Гц. Применение ТТХ в ванне не изменило частоту EPSC, но CNQX/APV снизило частоту EPSC до ~0 Гц.

    Рисунок 6.

    Спонтанные внекортикальные ВПСТ требуют активации глутаматных рецепторов и не зависят от потенциала действия.( A ) Вверху: последовательные развертки (длиной 5 с в течение 30 с) показывают активность EPSC в контроле, CNQX/APV и условиях восстановления. В присутствии антагонистов глутаматных рецепторов CNQX/APV активность ЭПСТ практически полностью блокировалась. Внизу: гистограмма измерителя скорости показывает, что частота ВПСТ в контрольных условиях составляла ~ 5,5 Гц в этом нейроне, в то время как кратковременное применение CNQX/APV снижало частоту ВПСТ до <0,5 Гц. После 20 мин вымывания частота ВПСТ вернулась к ~3 Гц. ( B ) Вверху: последовательные развертки (3 с) показывают активность EPSC в контроле, условиях TTX и CNQX/APV.Блокатор натриевых каналов ТТХ практически не влиял на частоту или амплитуду ВПСТ, в то время как CNQX/APV блокировал все спонтанные события. Внизу: гистограмма измерителя скорости показывает, что частота ВПСТ в контрольных условиях в этом нейроне составляла от 2,5 до 3,0 Гц. Применение ТТХ в ванне не изменило частоту EPSC, но CNQX/APV снизило частоту EPSC до ~0 Гц.

    Изофлуран угнетал частоту и амплитуду ВПСТ, но не влиял на кинетику ВПСТ (рис. 7). В контрольных условиях частота спонтанных ВПСТ в среднем составляла 5.7 ± 3,3 Гц ( n = 30), и колебалась от 1,1 до 12,5 Гц. За короткие промежутки времени (< 2 мин) частота ВПСТ обычно значительно варьировала, с повторяющимся чередованием периодов покоя (частота ВПСТ < 1 Гц) и гиперактивной активности (частота ВПСТ > 10 Гц). В присутствии 1,4 и 2,8 об.% изофлурана частота спонтанных ВПСТ снижалась до 2,4 ± 0,5 Гц ( n = 6) и 2,0 ± 0,7 Гц ( n = 5) соответственно. Оба этих значения значительно отличались от контрольных частот ВПСТ [ P < 0.05, дисперсионный анализ (ANOVA)]. При сопоставлении с теми же значениями частоты контрольных клеток частоты EPSC были снижены до 69 ± 25 и 52 ± 28% от их контрольных значений в присутствии 1,4 и 2,8 об.% изофлюрана, соответственно.

    Рисунок 7.

    Частота и амплитуда ВПСТ значительно снижались при применении изофлурана и карбахола/бикукуллина, в то время как кинетика ВПСТ оставалась постоянной. ( A ) Последовательные развертки показывают спонтанные неокортикальные EPSC в контроле и изофлуране 1.4 и 2,8 об.%. Обратите внимание, что увеличение концентрации изофлюрана снижает частоту и амплитуду EPSC. ( B ) Каждая кривая данных представляет средний EPSC, зарегистрированный в одном нейроне. Все EPSC были масштабированы и выровнены по их пиковой отрицательности. В контрольных условиях EPSC демонстрируют широкий разброс как во времени нарастания, так и во времени затухания (обратите внимание на серый отклик и насыщенный черный отклик). Кинетика ЭПСТ не изменялась при концентрациях изофлюрана (ISO) 1,4 и 2,8 об.% (1 и 2 ПДК соответственно).Кинетика EPSC также не изменилась при применении карбахола/бикукуллина (CB/BC) в присутствии и в отсутствие изофлурана. ( C ) Гистограммы показывают, что средние частоты EPSC были снижены примерно до одной трети их контрольных значений в присутствии 1 и 2 МАК изофлурана (от ~6 до 2 Гц). Напротив, частота ЭПСТ более чем удваивалась в присутствии карбахола/бикукуллина (КБ/БК). Амплитуды ВПСТ также снижались в присутствии изофлурана, в то время как применение карбахола/бикукуллина значительно увеличивало амплитуды ВПСТ.Время нарастания ВПСТ (∼4,5 мс) и время затухания (τ∼8,5 мс) оставались постоянными при всех фармакологических условиях. Столбики погрешностей составляют 1 стандартное отклонение, и значимость определялась с помощью дисперсионного анализа; * P < 0,05, ** P < 0,01 по сравнению с контролем.

    Рисунок 7.

    Частота и амплитуда ВПСТ значительно снижались при применении изофлурана и карбахола/бикукуллина, в то время как кинетика ВПСТ оставалась постоянной. ( A ) Последовательные развертки показывают спонтанные неокортикальные EPSC в контроле и изофлуране 1.4 и 2,8 об.%. Обратите внимание, что увеличение концентрации изофлюрана снижает частоту и амплитуду EPSC. ( B ) Каждая кривая данных представляет средний EPSC, зарегистрированный в одном нейроне. Все EPSC были масштабированы и выровнены по их пиковой отрицательности. В контрольных условиях EPSC демонстрируют широкий разброс как во времени нарастания, так и во времени затухания (обратите внимание на серый отклик и насыщенный черный отклик). Кинетика ЭПСТ не изменялась при концентрациях изофлюрана (ISO) 1,4 и 2,8 об.% (1 и 2 ПДК соответственно).Кинетика EPSC также не изменилась при применении карбахола/бикукуллина (CB/BC) в присутствии и в отсутствие изофлурана. ( C ) Гистограммы показывают, что средние частоты EPSC были снижены примерно до одной трети их контрольных значений в присутствии 1 и 2 МАК изофлурана (от ~6 до 2 Гц). Напротив, частота ЭПСТ более чем удваивалась в присутствии карбахола/бикукуллина (КБ/БК). Амплитуды ВПСТ также снижались в присутствии изофлурана, в то время как применение карбахола/бикукуллина значительно увеличивало амплитуды ВПСТ.Время нарастания ВПСТ (∼4,5 мс) и время затухания (τ∼8,5 мс) оставались постоянными при всех фармакологических условиях. Столбики погрешностей составляют 1 стандартное отклонение, и значимость определялась с помощью дисперсионного анализа; * P < 0,05, ** P < 0,01 по сравнению с контролем.

    Амплитуды ВПСТ в контрольных условиях в среднем составляли 20,2 ± 8,6 пА (среднее значение ± стандартное отклонение, n = 30) и значимо не коррелировали с сопротивлением доступу к целой клетке ( R 2 = 0,132) или потенциалом удержания мембраны ( Р 2 = 0.090, линейная регрессия) в узком диапазоне напряжений, исследованном в настоящем исследовании. Амплитуда ВПСТ уменьшалась до 13,7 ± 3,7 ( n = 5) и 10,7 ± 2,5 ( n = 4) пА в присутствии 1,4 и 2,8 об.% изофлурана соответственно. Значительная депрессия амплитуд ЭПСТ наблюдалась только при 2,8 об.% изофлурана ( P <0,05, ANOVA). При сопоставлении с теми же значениями амплитуд контрольной клетки амплитуды EPSC были снижены до 81,0 ± 11,2 и 64,3 ± 13,1% от их контрольных значений в присутствии 1.4 и 2,8 об.% изофлюрана соответственно. Это уменьшение амплитуды EPSC произошло без изменения уровня фонового шума или какого-либо значительного влияния на токи удержания.

    Депрессия частоты ВПСТ была больше той, которую можно было объяснить наблюдаемой депрессией амплитуд. Когда уровень порогового детектора был увеличен до 20 или 40%, чтобы смоделировать наблюдаемые эффекты, вызванные изофлураном, на амплитуды ВПСТ при двух концентрациях, результирующий анализ показал лишь небольшое влияние на частоту: 92% и 85% для каждого уровня. .Точно так же, когда контрольные записи EPSC были ослаблены путем уменьшения усиления до 80 или 65%, чтобы имитировать депрессию, вызванную изофлураном, результирующее снижение частоты было только до 94 и 86% от нормальных ответов усиления, а не ниже ~ 70 и 50. % наблюдается экспериментально. Изофлуран не влиял на время нарастания ВПСТ и кинетику затухания. В контрольных условиях время нарастания и спада EPSC было переменным (рис. 7 B ) и не коррелировало с сопротивлением доступу к целой клетке (нарастание, R 2 = 0.004; распад, R 2 < 0,001). Время нарастания варьировалось от 1,6 до 7,0 мс (среднее ± SD = 4,6 ± 1,3 мс, n = 30), а время затухания — от 3,6 до 15,9 мс (8,2 ± 2,9 мс). В пределах отдельных нейронов время нарастания и время затухания ВПСТ плохо коррелировали ( R 2 = 0,184), что свидетельствует о том, что кинетическая изменчивость каналов в большей степени способствовала измеренным изменениям кинетики ВПСТ, чем дендритная фильтрация ВПСТ. В присутствии 1,4 и 2,8 об.% изофлюрана кинетика активации ЭПСТ оставалась неизменной на уровне 4.6 ± 0,6 мс ( n = 6) и 4,5 ± 1,1 мс ( n = 4) соответственно (рис. 7 C ). Время затухания (контроль τ = 8,2 ± 2,9) также не претерпело значительных изменений при 1,4 об.% изофлурана (τ = 9,3 ± 2,1 мс) или 2,8 об.% изофлюрана (τ = 8,4 ± 4,3 мс).

    Частоту, амплитуду и кинетику ЭПСК неокортекса исследовали в присутствии карбахола (100 мкМ) и бикукуллина (10 мкМ), поскольку эти фармакологические агенты использовались для вызова и поддержания активности ЭЭГ. Карбахол и бикукулин ( n = 3) достоверно ( P < 0.05, ANOVA) увеличивал частоты ВПСТ (среднее ± SD = 14,7 ± 0,9 Гц) и амплитуды (32,7 ± 3,5 пА) по сравнению с контрольными значениями (рис. 7 B , C ), но не влиял на время нарастания ВПСТ ( 4,0 ± 1,1 мс) или кинетика затухания (8,7 ± 2,4 мс). Как и в контрольных условиях, применение изофлюрана (0,7–2,8 об.%) в присутствии карбахола и бикукуллина не влияло на кинетику тока (рис. 7 B ).

    Обсуждение

    Настоящее исследование показало, что клинически значимые концентрации пропофола (5–10 мкМ), тиопентала (50–70 мкМ) или изофлурана (0.7–2,1 об.%, 0,5–1,5 ПДК крысы) вызывал аналогичный паттерн замедления ЭЭГ, наблюдаемый in vivo (Henry and Scoville, 1952; Eger et al. , 1971; MacIver et al. , 1996a; Hartikainen and Rorarius, 1999; Huotari et al. , 2004), включая паттерны ЭЭГ с подавлением всплесков в срезах неокортекса головного мозга (рис. 1–3). Активность подавления всплесков требует опосредованной глутаматом синаптической передачи, о чем свидетельствует способность антагонистов глутаматных рецепторов CNQX и APV обратимо приводить подавление всплесков к изоэлектрической активности.Записи токовых зажимов целых клеток выявили деполяризацию мембранного потенциала большой амплитуды, связанную с импульсными разрядами ЭЭГ (рис. 4), что еще больше указывает на глутаматергическую передачу в генезе пачек. Кроме того, частота и амплитуда возбуждающих синаптических событий увеличивались во время пачечной активности, вызванной анестезией (рис. 5). Запись зажима напряжения продемонстрировала, что амплитуды возбуждающих токов увеличивались с гиперполяризацией мембранного потенциала, что также указывает на то, что всплески были инициированы глутамат-опосредованными внутренними токами.Наконец, было обнаружено, что концентрации анестетиков, способные вызвать изоэлектрическую активность ЭЭГ, значительно снижают спонтанные амплитуды и частоты ВПСТ (рис. 7). Взятые вместе, вышеприведенные результаты позволяют предположить, что активность подавления всплесков требует опосредованной глутаматом передачи возбуждения, и что вызванная анестезией депрессия EPSC, по-видимому, лежит в основе перехода от подавления всплесков к изоэлектрической активности, как предполагалось ранее (Lukatch and MacIver, 1996).

    Способность генерировать индуцированные анестезией паттерны подавления всплесков ЭЭГ в срезах неокортекса головного мозга согласуется с предыдущими исследованиями in vivo , которые показали, что неокортекс под наркозом поддерживает активность подавления всплесков ЭЭГ (Swank, 1949; Henry and Scoville, 1952).Дополнительные доказательства того, что индуцированные анестезией всплески неокортекса возникают независимо от восходящих таламических входов, получены в исследованиях, показывающих, что активность разрядов корковых нейронов лучше коррелирует с паттернами подавления всплесков ЭЭГ, чем активность разрядов таламических нейронов (Steriade et al. , 1994a; Topolnik et al. , 2003; см. также Тимофеев и др. , 2000). Кроме того, корково-кортикальные возбуждающие входы были менее подавлены во время активности подавления вспышек, чем таламокортикальные входы (Steriade et al., 1994а). Эти результаты предполагают, что механизмы, лежащие в основе активности подавления всплесков неокортекса, присущи неокортексу и согласуются с моделями персистирующей активности нейронов в коре (Fellous and Sejnowski, 2003).

    Предыдущие исследования in vivo продемонстрировали, что анестетики гиперполяризуют нейроны неокортекса во время активности подавления всплесков (Steriade et al. , 1994a). Было высказано предположение, что гиперполяризация нейронов, генерирующих ЭЭГ, может способствовать подавлению всплесков активности за счет устранения зависимой от мембранного потенциала инактивации активируемых низкопороговым напряжением кальциевых и натриевых каналов и за счет снижения частоты тонических разрядов клеток (Lukatch and MacIver, 1996).Эти условия благоприятствовали бы состоянию, в котором нейроны, генерирующие ЭЭГ, становятся неподвижными, но гипервозбудимыми, что, в свою очередь, приводит к периодам подавленной активности ЭЭГ, прерываемой всплесками большой амплитуды в ответ на возбуждающие входы или быстрые препотенциалы (Крошет и др. , 2004). . В настоящее время многое из этого остается спекулятивным. Ясно, что механизмы, лежащие в основе периодов подавления, вероятно, включают активацию внутренних тормозных токов, особенно ГАМК-зависимых хлоридных токов (Lukatch and MacIver, 1996), но могут также включать калиевые каналы, а также общее снижение возбуждающих синаптических входов, наблюдаемое в настоящем исследовании.

    Хотя предыдущие исследования показали, что клинически значимые концентрации анестетиков подавляют передачу возбуждения в различных областях мозга (Richards et al. , 1975; Richards and White, 1975; el-Beheiry and Puil, 1989; Berg-Johnsen and Langmoen, 1992). ; Lukatch and MacIver, 1996; Maclver et al. , 1996b), настоящее исследование показало, что глутаматергическая передача сохраняется в неокортексе во время индуцированной анестезией активности подавления ЭЭГ. Одним из способов, которым это было очевидно, было то, что внутриклеточные деполяризации всегда предшествовали всплескам ЭЭГ.Интересно, что спонтанные внутриклеточные всплески, вызывающие потенциалы действия в отдельных нейронах, не всегда были связаны с вспышками ЭЭГ (рис. 4). Фактически, устойчивые импульсы деполяризующего тока, индуцированные импульсами действия, в восьми нейронах из отдельных срезов не вызывали и не увлекали всплески ЭЭГ в присутствии соответствующих концентраций анестетиков (см. результаты). Это открытие предполагает, что, хотя большие популяции нейронов участвуют в пачечной активности, вызванной анестезией, только определенное подмножество нейронов (ни один из которых не встречался в настоящем исследовании) способно инициировать всплески ЭЭГ.Предыдущие исследования, изучающие взрывные разряды в расторможенных клетках СА3 области гиппокампа, также продемонстрировали, что только подмножество нейронов способно вызывать популяционные всплески (Miles and Wong, 1983). Таким образом, некоторые типы клеток неокортекса могут действовать как водители ритма, подавляющие всплески ЭЭГ (Steriade and Amzica, 1994; Steriade et al. , 1994b). В частности, описанные в неокортексе нейроны с «быстро-ритмическими разрывами» могут быть вероятными кандидатами на роль кардиостимуляторов (Grenier et al., 2003).

    Нейроны кардиостимулятора, подавляющие всплески неокортекса, могут обладать внутренними мембранными свойствами, которые делают их восприимчивыми к всплеску активности в присутствии анестетиков, точно так же, как некоторые типы клеток имеют большую предрасположенность к всплеску во время эпилептической активности (Connors, 1984; Steriade and Amzica, 1994) . Будучи инициированными субпопуляцией вспышек кардиостимулятора, большие популяции нейронов, по-видимому, быстро вовлекаются в активность вспышек ЭЭГ посредством рекуррентных возбуждающих связей, которые ранее были описаны в неокортексе (Deuchars et al., 1994). В поддержку этой гипотезы настоящее исследование показало, что вызванные анестезией всплески сопровождались залпами возбуждающих синаптических токов с повышенной частотой и амплитудой (рис. 5). Следует отметить, что, хотя паттерны ЭЭГ с подавлением вспышек могут иметь сходные биофизические механизмы с другими формами повышенной возбудимости, они сильно отличаются от эпилептических разрядов, наблюдаемых как in vivo, так и в модели среза мозга, используемой для настоящего исследования.

    При постепенном повышении концентрации анестетика in vivo частота вспышек уменьшается, а время подавления ЭЭГ между вспышками увеличивается, пока не станет преобладать изоэлектрический сигнал ЭЭГ (Clark and Rosner, 1973; Tomoda et al. , 1993; MacIver et al. , 1996a; Huotari и др. , 2004). В настоящем исследовании антагонисты глутаматных рецепторов форсировали переходы от подавления всплесков к изоэлектрической активности ЭЭГ (Fig. 4), указывая на то, что подавление глутаматергической передачи может способствовать этому переходу in vivo .Настоящее исследование показало, что концентрации изофлурана, вызывающие изоэлектрическую активность ЭЭГ, значительно снижают амплитуду и частоту ВПСТ, но не влияют на кинетику ВПСТ (рис. 7). Вызванное изофлураном снижение частот спонтанных ВПСТ согласуется с предыдущими исследованиями, которые показали, что изофлуран угнетает глутаматергическую передачу в нескольких областях коры, по-видимому, посредством пресинаптического механизма (Berg-Johnsen and Langmoen, 1992; Larsen et al. , 1994; MacIver). и др., 1996b).

    Заключительные замечания

    Неокортексные срезы головного мозга были способны поддерживать индуцированную анестезией активность подавления всплесков ЭЭГ в присутствии клинически значимых концентраций тиопентала, пропофола или изофлурана. Надежная глутаматергическая передача была очевидна во время активности подавления всплесков ЭЭГ в неокортексе. Опосредованные глутаматом токи возбуждения были значительно подавлены при концентрациях изофлурана, которые блокировали взрывную активность и вызывали изоэлектрическую активность ЭЭГ.Таким образом, индуцированная анестезией активность подавления всплесков неокортекса, по-видимому, включает в себя участки действия, присущие неокортексу, она требует интактной глутаматергической передачи, а переход от подавления всплесков к изоэлектрической активности ЭЭГ, по-видимому, является результатом индуцированной анестезией депрессии глутамат-опосредованной активности. синаптическая передача возбуждения.

    Это исследование было поддержано NIH GM054767 и USAF OSR/SCEEE.

    Каталожные номера

    Berg-Johnsen J, Langmoen IA (

    1992

    ) Влияние изофлюрана на возбуждающую синаптическую передачу в гиппокампе крысы.

    Acta Anaesthesiol Scand

    36

    :

    350

    –355.

    Clark DL, Rosner BS (

    1973

    ) Нейрофизиологические эффекты общих анестетиков. I. Электроэнцефалограмма и сенсорные вызванные реакции у человека.

    Анестезиология

    38

    :

    564

    –582.

    Cohen GA, Doze VA, Madison DV (

    1992

    ) Опиоидное ингибирование высвобождения ГАМК из пресинаптических окончаний интернейронов гиппокампа крысы.

    Нейрон

    9

    :

    325

    –335.

    Connors BW (

    1984

    ) Начало синхронизированного разрыва нейронов в неокортексе.

    Природа

    310

    :

    685

    –687.

    Cormier RJ, Kelly PT (

    1996

    ) Длительное потенцирование, вызванное глутаматом, увеличивает спонтанную амплитуду ВПСТ, но не частоту.

    J Нейрофизиол

    75

    :

    1909

    –1918.

    Crochet S, Fuentealba P, Timofeev I, Steriade M (

    2004

    ) Избирательная амплификация выходного сигнала нейронов неокортекса с помощью быстрых препотенциалов in vivo .

    Кора головного мозга

    14

    :

    1110

    –1121.

    Deuchars J, West DC, Thomson AM (

    1994

    ) Взаимосвязь между морфологией и физиологией соединений одиночных аксонов пирамиды-пирамиды в неокортексе крысы in vitro .

    J Physiol (Лондон)

    478

    :

    423

    –435.

    Ebrahim ZY, Schubert A, Van Ness P, Wolgamuth B, Awad I (

    1994

    ) Влияние пропофола на электроэнцефалограмму пациентов с эпилепсией.

    Anesth Analg

    78

    :

    275

    –279.

    Eger EI 3rd, Stevens WC, Cromwell TH (

    1971

    ) Электроэнцефалограмма у человека под анестезией фораном.

    Анестезиология

    35

    :

    504

    –508.

    el-Beheiry, H., and Puil, E (

    1989

    ) Анестетическая депрессия возбуждающей синаптической передачи в неокортексе.

    Exp Brain Res

    77

    :

    87

    –93.

    Fellous JM, Sejnowski TJ (

    2003

    ) Регуляция постоянной активности фоновым торможением в модели in vitro кортикальной микросхемы.

    Кора головного мозга

    13

    :

    1232

    –1241.

    Gonzalez-Burgos G, Barrionuevo G (

    2001

    ) Потенциалзависимые натриевые каналы формируют подпороговые ВПСП в пирамидных нейронах слоя 5 префронтальной коры крысы.

    J Нейрофизиол

    86

    :

    1671

    –1684.

    Grenier F, Timofeev I, Steriade M (

    2003

    ) Неокортекс очень быстрые колебания (рябь, 80–200 Гц) во время припадков: внутриклеточные корреляты.

    J Нейрофизиол

    89

    :

    841

    –852.

    Hablitz JJ, Johnston D (

    1981

    ) Эндогенная природа спонтанного разрыва пирамидных нейронов гиппокампа.

    Cell Mol Neurobiol

    1

    :

    325

    –334.

    Hartikainen K, Rorarius MG (

    1999

    ) Реакция коры головного мозга на слуховые стимулы во время анестезии для подавления выброса изофлурана.

    Анестезия

    54

    :

    210

    –214.

    Henry CE, Scoville WB (

    1952

    ) Подавление-всплеск активности изолированной коры головного мозга у человека.

    Электроэнцефалогр Клин Нейрофизиол

    4

    :

    1

    –22.

    Hershkowitz N, Katchman AN, Veregge S (

    1993

    ) Место синаптической депрессии во время гипоксии: анализ патч-зажим.

    J Нейрофизиол

    69

    :

    432

    –441.

    Homer TD, Stanski DR (

    1985

    ) Влияние возраста на распределение тиопентала и потребность в анестетиках.

    Анестезиология

    62

    :

    714

    –724.

    Huotari AM, Koskinen M, Suominen K, Alahuhta S, Remes R, Hartikainen KM, Jantti V (

    2004

    ) Вызванные паттерны ЭЭГ во время подавления вспышек пропофолом.

    Br J Anaesth

    92

    :

    18

    –24.

    Jantti V, Sonkajarvi E, Mustola S, Rytky S, Kiiski P, Suominen K (

    1998

    ) Соматосенсорные вызванные потенциалы коры головного мозга с однократным сканированием: N20 и вызванные импульсы при анестезии севофлураном.

    Электроэнцефалогр Клин Нейрофизиол

    108

    :

    320

    –324.

    Kazama T, Ikeda K, Morita K, Kikura M, Doi M, Ikeda T, Kurita T, Nakajima Y (

    1999

    ) Сравнение k(eO)s в месте действия пропофола для артериального давления и биспектрального индекса ЭЭГ у пожилых и молодых пациентов.

    Анестезиология

    90

    :

    1517

    –1527.

    Larsen M, Grondahl TO, Haugstad TS, Langmoen IA (

    1994

    ) Влияние летучего анестетика изофлурана на Ca(2+)-зависимое высвобождение глутамата из коры головного мозга крыс.

    Мозг Res

    663

    :

    335

    –337.

    Ларсен, М., Вало, Э. Т., Берг-Джонсен, Дж., и Лангмуэн, И. А. (

    1998

    ) Изофлуран снижает высвобождение синаптического глутамата без изменения содержания свободного кальция в цитозоле в изолированных нервных окончаниях.

    Eur J Anaesth

    15

    :

    224

    –229.

    Lukatch HS, MacIver MB (

    1996

    ) Синаптические механизмы тиопентал-индуцированных изменений в синхронизированной корковой активности.

    Анестезиология

    84

    :

    1425

    –1434.

    Lukatch HS, MacIver MB (

    1997

    ) Физиология, фармакология и топография холинергических неокортикальных колебаний in vitro .

    J Нейрофизиол

    77

    :

    2427

    –2445.

    MacIver MB, Mandema JW, Stanski DR, Bland BH (

    1996

    a) Тиопентал разъединяет синхронизированную электроэнцефалографическую активность гиппокампа и коры.

    Анестезиология

    84

    :

    1411

    –1424.

    Maclver MB, Mikulec AA, Amagasu SM, Monroe FA (

    1996

    b) Летучие анестетики подавляют передачу глутамата за счет пресинаптических действий.

    Анестезиология

    85

    :

    823

    –834.

    Mahon S, Deniau JM, Charpier S (

    2001

    ) Взаимосвязь между потенциалами ЭЭГ и внутриклеточной активностью полосатых и кортико-полосатых нейронов: исследование in vivo под различными анестетиками.

    Кора головного мозга

    11

    :

    360

    –373.

    Miles R, Wong RK (

    1983

    ) Одиночные нейроны могут инициировать синхронизированный разряд популяции в гиппокампе.

    Природа

    306

    :

    371

    –373.

    Николл Р.А. (

    1972

    ) Влияние анестетиков на синаптическое возбуждение и торможение в обонятельной луковице.

    J Physiol (Лондон)

    223

    :

    803

    –814.

    Ogawa T, Shingu K, Shibata M, Osawa M, Mori K (

    1992

    ) Различные действия летучих анестетиков на фоновую активность нейронов и реактивную способность центральной нервной системы у кошек.

    Can J Anaesth

    39

    :

    862

    –872.

    Richards CD, White AE (

    1975

    ) Действие летучих анестетиков на синаптическую передачу в зубчатой ​​извилине.

    J Physiol (Лондон)

    252

    :

    241

    –257.

    Richards CD, Russell WJ, Smaje JC (

    1975

    ) Действие эфира и метоксифлурана на синаптическую передачу в изолированных препаратах коры млекопитающих.

    J Physiol (Лондон)

    248

    :

    121

    –142.

    Steriade M, Amzica F (

    1994

    ) Динамическая связь между нейронами неокортекса во время вызванной и спонтанной спайк-волновой судорожной активности.

    J Нейрофизиол

    72

    :

    2051

    –2069.

    Steriade M, Amzica F, Contreras D (

    1994

    a) Кортикальные и таламические клеточные корреляты подавления электроэнцефалографических всплесков.

    Электроэнцефалогр Клин Нейрофизиол

    90

    :

    1

    –16.

    Steriade M, Contreras D, Amzica F (

    1994

    b) Синхронизированные колебания сна и их пароксизмальное развитие.

    Trends Neurosci

    17

    :

    199

    –208.

    Swank RL (

    1949

    ) Синхронизация спонтанной электрической активности головного мозга с помощью барбитуратного наркоза.

    J Нейрофизиол

    12

    :

    161

    –172.

    Тимофеев И., Гренье Ф., Баженов М., Сейновский Т.Ю., Стериаде М. (

    2000

    ) Происхождение медленных корковых колебаний в деафферентных корковых плитах.

    Кора головного мозга

    10

    :

    1185

    –1199.

    Tomoda K, Shingu K, Osawa M, Murakawa M, Mori K (

    1993

    ) Сравнение эффектов пропофола и тиопентана на ЦНС у кошек.

    Br J Anaesth

    71

    :

    383

    –387.

    Топольник Л., Стериаде М., Тимофеев И. (

    2003

    ) Частичная корковая деафферентация способствует развитию пароксизмальной активности.

    Кора головного мозга

    13

    :

    883

    –893.

    Валентайн П.А., Тески Г.К., Эггермонт Дж.Дж. (

    2004

    ) Разжигание изменяет импульсную стрельбу, нейронную синхронию и тонотопическую организацию первичной слуховой коры кошек.

    Кора головного мозга

    14

    :

    827

    –839.

    White PF, Johnston RR, Eger EId (

    1974

    ) Определение потребности в анестезии у крыс.

    Анестезиология

    40

    :

    52

    –57.

    Примечания автора

    1Стэнфордская программа неврологии и лаборатория нейрофармакологии, Медицинский факультет Стэнфордского университета, Стэнфорд, Калифорния 94305–5117, США, 2 Отделение мозга и когнитивных наук, Массачусетский технологический институт, 77 Массачусетс-авеню, Кембридж, Массачусетс 02139-4307, США, и 3 отделение анестезии, Медицинский факультет Стэнфордского университета, Стэнфорд, Калифорния 94305-5117, США

    © Oxford University Press, 2005; все права защищены

    Разрыв, сжатие, быстрые кадры, конкатенация

    Практически все производимые в настоящее время 802.Беспроводные адаптеры 11g имеют такие суффиксы, как «супер G», «турбо», «плюс» и т. д. Но суффиксы — это только полдела. Производители (точнее, их маркетологи) украшают свои коробки надписями 108 Мбит/с или даже 125 Мбит/с.

    125 — звучит заманчиво. Неужели беспроводные адаптеры работают быстрее, чем старый добрый Fast Ethernet с его кабелями? Может быть, нам стоит отпустить их… эти «древние» адаптеры Fast Ethernet? Избавьтесь от кабелей, от которых мы устали, и да здравствует радио Ethernet? 🙂

    Но смотри, прежде чем прыгнуть, как гласит пословица.В нашем случае это означает, что не мешало бы узнать подробнее об этих загадочных технологиях, о том, как они работают и какие скорости передачи данных они обеспечивают на самом деле (и самое главное — при каких условиях). Иными словами, надо делать поправку на самое главное для маркетологов — продавать решения от их компании.

    Есть много способов «разогнать» стандарт 802.11g. Точнее, у каждого производителя чипов свой путь (по крайней мере — называются они по-разному).К сожалению, не все производители объясняют детали своей техники. Мне удалось найти информацию об этих методиках только для Atheros и Texas Instruments. Но самый информативный ресурс предоставляет Atheros — у него даже есть отдельный веб-сайт, посвященный их техникам Super G и Super AG.

    Фактически, большая часть этой статьи представляет собой подборку информации с веб-сайтов Atheros и Texas Instruments и лишь мельчайшие детали из других источников.

     

    Перейдем к приемам.

    Сначала посмотрим на «чистый» 802.11g. Максимальная пропускная способность этого режима составляет 54 Мбит/с. Я думаю, что большинство пользователей знают, как преобразовать мегабиты в мегабайты? Правильно, нужно разделить мегабиты на восемь, чтобы получить скорость передачи данных — 6,75 МБ/с.

    Но внимательные читатели (те, кто не просто просматривают введения и выводы, а реально просматривают диаграммы с показателями производительности) знают, что штатный режим 802.11g не дает более ~25 Мбит.Эй, это только половина от 54 Мбит! Где вторая половина? «Где» — отдельная тема. Могу лишь отметить, что действительно пользовательские данные занимают только половину (в лучшем случае) пропускной способности канала.

    Это первая плохая новость. Есть и вторая плохая новость. Радиоволны (именно они передают данные в беспроводных сетях) передаются во все стороны от источника сигнала (это общий случай). То есть все слышат передатчик. Каждый может выбрать получать данные или нет, это не важно.Что важно — эти люди не могут ничего передавать на той же частоте в этот момент. Точнее, они могут попытаться, но сигналы от обоих источников будут перекрываться, что приведет к искажению и потере данных. Другими словами, только один из нескольких источников, работающих на одной частоте, может единовременно передавать данные в беспроводных сетях. Это принцип рации — сначала говоришь, потом молчишь и слушаешь.

    Таким образом щедро выделенные ~25 Мбит делятся между всеми участниками беспроводной сети.Если количество клиентов 5 хостов и все они активно передают данные, то у каждого участника будет пропускная способность около 5 Мбит (на самом деле она будет даже чуть ниже).

    Есть и третья плохая новость. Вторая плохая новость про 5 Мбит на каждый из 5 хостов верна только в случае сети Ad Hoc, то есть без точки доступа. Если брать более общий случай с точкой доступа, то эти жалкие 5 Мбит придется делить на двоих. Любой обмен с клиентами в режиме Инфраструктура (с точкой доступа) происходит через точку доступа.Сначала он должен получить данные, а затем ретранслировать их получателю. В итоге получаем по 2 с небольшим мегабита на пользователя.

    Теперь вернемся к цифрам 108 и 125, которые часто печатаются крупным шрифтом на коробках с товарами. Но вы уже получили его, верно? 🙂

    Разделите эти числа на два (идеальный случай мы коснемся позже). Это означает максимум 60 Мбит в случае одного клиента и, следовательно, в n раз меньше в случае N клиентов.

    Если все, что вы хотите, это выяснить, пора ли избавиться от проводов или «подождать немного», то оставшуюся часть статьи можно пропустить.Ответ — пока рано. Хотя бы дождитесь WiMAX.

    Теперь давайте перейдем к более тщательному изучению методов увеличения пропускной способности беспроводной сети по сравнению со стандартным режимом 802.11g.

    Наверное, все плюсы (турбо и т.д.) производителей — это то же самое, что и у TI и Atheros, только под другими названиями. Но детали реализации могут отличаться, поэтому техники разных производителей могут быть несовместимы друг с другом.

    Техника Атероса для 802.11g называется Super G (есть еще один — Super AG; это то же самое, но для 802.11a, т.е. для сетей 5 ГГц). Atheros Super G позволяет увеличить пропускную способность до 108 Мбит/с. Как честно заявляет Atheros, скорость передачи данных для пользователя может достигать 60 Мбит.

    Производительность повышается несколькими способами:

    Техника Atheros Super G/Super AG:
    Особенность Характеристики Преимущества
    Разрыв
    • больше кадров данных за заданный период времени
    • увеличение пропускной способности за счет снижения накладных расходов
    Сжатие
    • аппаратное сжатие данных в реальном времени
    • сжатие Lempel Ziv
    • повышенная пропускная способность за счет использования предварительно сжатых кадров
    • не влияет на хост-процессор
    Быстрые рамы
    • использует агрегацию кадров (размер кадра до 3000 байт) и временные модификации
    • увеличивает пропускную способность за счет передачи большего количества данных за кадр и устранения межкадровых пауз
    Динамический турбо
    • аналогичен методам транкинга, используемым в сетях Fast Ethernet, использует двойные каналы для «удвоения» скорости передачи
    • анализирует среду и соответствующим образом регулирует использование полосы пропускания
    • максимизирует пропускную способность с использованием нескольких (двух) каналов

     

    На веб-сайте Atheros есть красочная диаграмма, показывающая влияние различных технологий на скорость передачи данных:

     


    Рис.1. Преимущества различных технологий беспроводной связи

    Базовый режим 802.11g или 802.11a, в котором отключены все расширенные методы, позволяет использовать до 22 Мбит (чистое значение, доступное пользователю). Добавляя технологии, которые, вероятно, будут включены в будущий стандарт 802.11e (Bursting, Fast Frames, Compression), мы можем увеличить производительность до 40 Мбит включительно. Активация режима Dynamic Turbo, использующего два канала для передачи данных, может повысить производительность до теоретического максимума в 60 Мбит.

    Приведенные выше цифры, безусловно, являются максимально возможной производительностью в заданном режиме (в идеальном случае). В реальности все будет зависеть от таких условий, как удаленность клиента от точки доступа, количество одновременно работающих клиентов, радиообстановка вокруг беспроводной сети и т.д.

     

    Повышение производительности беспроводной связи от Texas Instruments называется G-Plus. Некоторые из них напоминают приемы из Атероса, другие характерны только для ТИ.

    Техника Texas Instruments G-Plus:

     

    Особенность Характеристики Преимущество
    Конкатенация кадров
    • объединение данных из нескольких пакетов в один (размер пакета — до 4000 байт)
    • увеличивает пропускную способность за счет удаления накладных расходов из «лишних» кадров и межкадровых задержек
    Разрыв пакетов
    • аналог техники от Atheros
    • аналог техники от Atheros

     

    Остановимся подробнее на каждой из вышеперечисленных техник — всплеск, сжатие, быстрые кадры, динамическое турбо.Интересно, что все четыре метода работают независимо друг от друга, таким образом повышая производительность одновременно несколькими способами.

    1. Разрыв

    Frame Bursting — это метод передачи, поддерживаемый проектом спецификации 802.11e QoS. Пакетная передача кадров увеличивает пропускную способность любого (точка-точка) канала 802.11a, b или g за счет снижения накладных расходов, связанных с беспроводной передачей. Это позволяет поддерживать более высокую пропускную способность как в гомогенных, так и в смешанных сетях.

    На Рисунке 2 показан пример стандартной передачи (без пакетной передачи).

     


    Рис. 2, стандартный режим 802.11a/b/g

    В стандартном режиме мы видим процесс передачи двух кадров (frame1 и frame2) от Source к Destination во времени. Процесс передачи данных разбит на временные интервалы (ось X — время). Поскольку только один источник может передавать данные одновременно, каждая станция должна конкурировать за эфирное время во время DIFS (распределенное межкадровое пространство).Если никакая другая станция не ведет передачу, эфирное время свободно и кадр может быть передан. После передачи кадра (frame1) передатчик ожидает подтверждения об успешной доставке от пункта назначения. Пункт назначения должен отправить подтверждение (ack) практически сразу после SIFS — Short InterFrame Space (если подтверждения не было, источник считает, что кадр не был получен и должен отправить его повторно). После получения подтверждения отправитель должен снова дождаться DIFS и только после этого (если эфир еще свободен) начать отправку Frame 2.И так далее.

    Таким образом, DIFS занимает значительную часть пропускной способности беспроводной сети.

    Теперь давайте посмотрим на картинку передачи кадров:

     


    Рис.3, с разрывной рамкой

     

    В этом режиме (Рисунок 3) источник и получатель по очереди захватывают канал для своих передач. После передачи кадра 1 и получения подтверждения передатчик не ожидает требуемой DIFS.Отправитель ждет только SIFS и затем передает второй фрейм данных и т.д. Таким образом, отправитель не дает возможности начать передачу другим станциям — им приходится ждать окончания этой пакетной передачи.

    Разумеется, общее время передачи в этом режиме ограничено (иначе передача нескольких гигабайт полностью парализовала бы других клиентов данной беспроводной сети). Но устранение DIFS позволяет передавать больший блок данных за тот же период времени, тем самым экономя пропускную способность канала, что увеличивает общую производительность передачи.

    Компания Atheros сообщает, что все ее продукты поддерживают эту технологию. Но устройства других производителей, которые не поддерживают эту технику, могут не понимать этот пакетный режим. Таким образом, при обмене данными с продуктом, который не может подтвердить пакетную передачу, источник возвращается к базовому режиму.

    Реализация Bursting от TI аналогична Atheros. TI предоставляет следующую иллюстрацию своей техники (Рисунок 4):

     


    Рис.4, разрыв кадров от Texas Instruments

    TI также устраняет «длинное» межкадровое пространство за счет снижения накладных расходов на передачу.

    Обе компании не предоставляют информацию о совместимости методов пакетной передачи от TI и Atheros.

     

    Подобные методы «разрыва», вероятно, также предлагаются другими производителями. Но Atheros пошел дальше и расширил эту технику до «динамического взрыва». В нем сообщается, что этот метод особенно эффективен в сетях с количеством беспроводных клиентов более одного.

    Например, если есть две станции, ближняя и дальняя от точки доступа. Конечно, дальняя станция будет работать с точкой доступа на более низкой скорости передачи данных (из-за расстояния). Поэтому его передача (ближнему клиенту) заданного размера займет больше времени, чем потребуется ближнему клиенту для получения данных. В этом случае пакетная активация для дальней станции позволяет сократить эфирное время и, как это ни странно, позволяет ближней станции получать эти данные еще быстрее (поскольку она будет тратить меньше времени на борьбу за эфирное время).Периоды пакетной передачи также зависят от расстояния (точнее, от скорости передачи данных). Ближайшему клиенту предоставляется более длительная пакетная передача, поскольку он будет передавать больше кадров, потребляя при этом гораздо меньше эфирного времени.

     

    Техника компрессии Atheros

    Второй метод Atheros, расширяющий стандарт 802.11, — это аппаратное сжатие. Он встроен во все чипсеты 802.11a,b,g этой компании. Он использует алгоритм Лемпеля Зива. Этот же алгоритм используется в таких архиваторах, как gzip, pkzip, winzip.Этот двигатель сжимает перед передачей и разжимает после приема.

    К сожалению, данные перед сжатием не анализируются, сжимаются все кадры. Таким образом, это не всегда хорошо — например, отправка уже сжатого файла может увеличить размер беспроводной передачи.

    С другой стороны, хорошо сжимаемые данные будут передаваться меньшими кадрами, что потребует меньше эфирного времени. Это эфирное время может быть использовано другими беспроводными станциями.

     

    Быстрые рамы Atheros

    Метод

    Fast Frames объединяет два кадра в один кадр большего размера.Таким образом мы избавляемся от лишних накладных расходов (в заголовке второго пакета — в новом пакете остался только один заголовок) и межкадровых пробелов:

     


    Рис. 5, Обычная коробка передач

     


    Рис. 6, с Fast Frames

    Размер результирующего фрейма может достигать 3000 байт, что в два раза превышает максимальный размер фрейма стандартного Ethernet-пакета.Таким образом, технология Fast Frames будет работать даже при проводной передаче с максимальным размером пакета (1500 байт) путем объединения каждых двух пакетов Ethernet в один пакет большего размера. После согласования FastFrames между точкой доступа и станцией и точка доступа, и станция могут отправлять беспроводные кадры размером 3000 байт соответствующему узлу.

    Учитывая, что Fast Frames может работать вместе с Frame Bursting, мы получаем очень хорошие скорости передачи данных. Кстати, по данным Atheros, большинство производителей, использующих в своих чипах Frame Bursting, фактически не поддерживают Fast Frames.У Atheros все в порядке — их устройства поддерживают обе методики.

    Технология Fast Frames также основана на проекте стандарта 802.11e. Тем не менее, он может поддерживаться не всем сторонним оборудованием. С другой стороны, этот метод работает в рамках существующих временных параметров (в отличие от пакетной передачи кадров, которая захватывает исключительно канал в течение некоторого времени). Вот почему Fast Frames лучше подходят для беспроводных сетей, в которых используется оборудование различных производителей.

     

    Объединение кадров Texas Instruments

    Метод объединения кадров в устройствах Texas Instruments использует те же принципы, что и Fast Frames от Atheros.

    TI идет еще дальше. В этом случае объединяются два или более кадров (Рисунок 7):

     


    Рис. 7, объединение кадров

    Таким образом, он выигрывает, устраняя служебные данные и межкадровые пробелы из одного или нескольких кадров. TI утверждает, что ее метод объединения кадров будет работать с любыми устройствами 802.11b/b+/g от TI и (!) других производителей. Не совсем понятно, что эта компания имела в виду под другими производителями, если последние не поддерживают эту методику… Возможно, имелись в виду операции с фреймами, не превышающими стандартный размер (1500 байт).

    Конкатенация кадров включает алгоритм, который позволяет объединять только выбранные пакеты в мегакадры. Например, если в очереди на отправку в указанное место назначения находится только один кадр, он будет отправлен немедленно. Другими словами, будут объединены только кадры с одним и тем же адресом назначения (в данном случае MAC-адрес получателя). Алгоритм работает только с одноадресными пакетами — многоадресные пакеты, а также контрольные пакеты отправляются без изменений.

    В настоящее время максимальный размер пакета конкатенации может достигать 4096 байт (что является косвенным признаком того, что этот метод не совместим с его аналогом Atheros).

    Leave a comment