Самостоятельно электропроводка: Электропроводка в доме своими руками. Пошаговое руководство

Проводка в квартире своими руками

Делаем электропроводку в квартире самостоятельно

Во время проведения капитального ремонта в квартире или в частном доме очень часто меняется электропроводка. Некоторые производят замену самостоятельно, если умеют разрабатывать схему подключения электричества в доме и обладают определенным опытом, а другие нанимают специалистов. Конечно, гораздо надежнее воспользоваться услугами профессионалов, но если человек стеснен в средствах, можно провести электропроводку в доме своими руками. Предварительно нужно произвести демонтаж старых кабелей и счетчиков.

Как сделать проводку в доме

Составляя проект электропроводки, следует помнить о том, что стандартная замена проводов происходит в три этапа:

• прокладка медных проводов;
• переход с устаревшей системы электрического питания TN-C на более современную систему TN-C-S;
• подключение всех кабелей отдельными ветвями.

Здесь нужно пояснить, что провода, сделанные из алюминия, активно использовались в пятидесятых годах прошлого века. Но потом выяснили, что прокладка кабелей с использованием этого металла крайне ненадежна. Это связано с тем, что алюминий имеет высокое удельное электрическое сопротивление. Для монтажа электропроводки потребуется кабель с большим сечением, по сравнению с медным. Еще один отрицательный момент – алюминиевые провода очень сильно нагреваются. Из-за этого оплавляется изоляция, и электропроводка быстро выходит из строя.

Если вы решили сделать электропроводку в доме своими руками, подходите к выбору проводов очень тщательно. Выбирайте кабель с сечением не меньше 2,5 кв. мм для подключения розеток и выключателей, и не менее 1,5 кв. мм – для освещения. Помните о том, что нельзя соединять медные и алюминиевые провода.

Что касается схемы электрического снабжения TN-C, то она уже давно устарела. С 1997 года стала активно применяться система TN-C-S, которая обеспечивает безопасность потребителей вне зависимости от того, в каком состоянии находится система электроснабжения.

Разводка ветвями стала пользоваться в последнее время очень большой популярностью. К каждой группе от ввода проходит цельный кабель. Для этого может использоваться тройная изоляция.

Как заменить проводку в доме своими руками

Есть пять этапов замены элетропроводки в квартире, и все они проводятся последовательно:

• составление схемы подключения электричества в своем доме;
• создание плана разводки, а также его регистрация в уполномоченных органах;
• сооружение времянки для проведения ремонтных работ;
• прокладка электрических проводов;
• подключение всех электрических приборов, которые находятся в помещении.

Чтобы электропроводка была установлена грамотно, необходимо заранее предусмотреть устройство защитного зануления или заземления. Перед тем как разработать план разводки, необходимо позаботиться о защите от перегрузок электросети, из-за которых может возникнуть короткое замыкание. На заключительном этапе работ осуществляется разводка проводки по точкам.

Для того чтобы иметь большее представление об электромонтажных работах, посмотрите «Как сделать проводку в доме своими руками» — видео для ознакомления, на котором наглядно показан весь процесс.

Как монтируется электропроводка в доме своими руками скрытым методом

Проводка в доме своими руками может быть выполнена скрытым или открытым методом. В большинстве случаев электрические провода скрыты под слоем штукатурки. Дело в том, что наружная проводка электричества выглядит малопривлекательно, хотя иногда такой способ используют в офисных помещениях.

Чтобы провести проводку в стене, там нужно сделать углубление на два сантиметра. Но перед этим необходимо провести разметку. После этого делаются углубления для выключателей и розеток.

Проводник укладывается строго перпендикулярно. Шнуры крепятся при помощи хомутов или дюбелей. Затем стена штукатурится.

Гораздо лучше провести проводку в специальном защитном рукаве, однако стоимость работ в этом случае увеличится. Благодаря защитному рукаву провода можно провести без нарушений целостности штукатурки. Это будет очень полезно в случае повторного ремонта.

Линии электрического питания можно проводить от щитка, который установлен отдельно от розеток. Затем при помощи распределительных коробок провода разводятся по всему помещению. Все это можно выполнить самостоятельно, но такая процедура займет некоторое время. Намного лучше воспользоваться услугами профессионалов. В интернете можно найти видео, которые помогут начинающему электрику. Там будет наглядно показано, как проводится электропроводка своими руками.

Как безопасно провести электропроводку в свой дом

Никогда нельзя забывать о технике безопасности, если вы самостоятельно проводите электропроводку в доме:

• предварительно необходимо отключить электричество;
• запрещено прокладывать кабель, если он находится под напряжением;
• перед монтажом ящичков и щитков нужно убедиться в прочности закрепления конструкции;
• пайку проводов нужно выполнять в брезентовых рукавицах и защитных очках;
• перед затяжкой проводов в трубу нужно удалить из нее все заусенцы.

как составить схему и провести своими руками

Как дача отличается от городской квартиры, так и монтаж электропроводки на даче имеет свои особенности. В сельской местности электроэнергия подается по воздушным линиям. Участившиеся бури приводят к обрывам проводов. Это в свою очередь вызывает броски напряжения, которые требуют дополнительных мер защиты от поражения электрическим током.

Иногда дачи находятся «на отшибе», на удалении от линий 220-380 В. Но поблизости может оказаться высоковольтная сельская линия электропередач напряжением 6(10) кВ. Они обычно идут вдоль дорог от села к селу. Тогда для устройства электропроводки требуется понижающий трансформатор.

Самые распространенные проблемы

Из-за того, что сельские линии электропередач изначально не были рассчитаны на такую нагрузку как сейчас, падение напряжения вплоть до отключения – явление практически повсеместное.

Для особо «нежных» приборов требуются стабилизаторы напряжения. Их можно установить на даче стационарно, подсоединив отдельную розеточную группу электропроводки.

Если дача используется не круглогодично, то помещения отсыревают. Это приводит к окислению контактов электропроводки.

Зимой при отоплении помещений может появляться конденсат, что вызывает дополнительное окисление. Поэтому в таких дачах провести электропроводку нужно открытым способом на фарфоровых изоляторах или в негорючих пластиковых каналах. Замена поврежденных участков будет простой и удобной.

Если в домике постоянно проживают или имеется автоматическая система отопления с поддержанием плюсовой температуры, тогда проводку на даче допускается делать скрытой.

Но в любом случае нужно сделать заземление и молниезащиту, без них пользоваться электричеством будет небезопасно.

В качестве заземления на даче лучше всего использовать заводские модульно-штыревые системы. Они компактны, надежны, могут устанавливаться на любом грунте.

Ввод кабеля и установка щитка

Для ввода в дачу самым надежным вариантом является прокладка силового кабеля в траншее на глубине не менее 80 см. Спуск со столба надо делать в металлическом гофре.

В траншее прокладывать в асбоцементной или пластиковой трубе. Воздушный способ прокладки неудобен из-за необходимости время от времени обрезать ветки деревьев касающихся кабеля.

Во время сильных ветров возможен обрыв линии.

В линиях электропередач используются алюминиевые провода, поэтому для снятия напряжения со столба потребуется тоже алюминиевый кабель.

Раньше энергетики позволяли прокладывать голый провод до трубостойки с изоляторами, а дальше можно было подсоединять кабелем к электросчетчику.

Теперь из-за хищений электроэнергии (энергетика тоже стала частной) они требуют прокладывать кабель со столба и до электросчетчика одним куском с последующим пломбированием места подключения к счетчику.

Щит электропроводки вместе со счетчиком и автоматами защиты надо расположить в доступном месте, лучше на входе в коридоре или отдельном помещении вместе с отопительной системой.

В любом случае электрощит должен находиться выше уровня земли на полметра. Рекомендуется устанавливать на такой высоте, чтобы было удобно осуществлять монтаж, и снимать показания со счетчика.

Сейчас в продаже много унифицированных электрощитков для подсоединения электропроводки. В них можно разместить счетчики с автоматами защиты от перенапряжений, устройства защитного отключения (УЗО) от токов утечки и шины заземления.

Расчет нагрузки

Чтобы сделать электропроводку на даче, сначала нужно определиться с нагрузками в каждом помещении. Для этого надо:

• начертить поэтажный план дачи с указанием мест расположения всех электроприборов постоянно или временно подключаемых к электросети;
• выбрать оптимальную точку ввода кабеля на дачу;
• выбрать место расположения главного электрощита (на большой даче иногда устанавливают отдельные электрощиты на каждый этаж;
• после этого считается мощность нагрузки по комнатам и типам приборов.

Для определения токов, протекающих по электропроводке необходимо мощность разделить на напряжение сети 220 В. Для удобства и минимизации расходов на провода и сопутствующие материалы необходимо разбить все электроприборы на группы по типам и расположению.

Обычно выделяется пара осветительных групп, две-три розеточных. Для гаража, бани, санузла выделяют отдельную группу.

Розетки в помещениях с повышенной влажностью подключаются через маломощный разделительный трансформатор.

Электропроводку желательно делать в двойной изоляции. Это необходимо для дополнительной защиты от поражения электрическим током.

На основании плана и расчетов будет составлена схема проводки, которой надо строго придерживаться.

Безопасность

При вводе кабеля по воздуху необходимо предусмотреть надежное крепление для крюков с изоляторами. Ветровые и снеговые нагрузки на даче бывают значительными, это необходимо учесть для надежной работы электропроводки.

Кабель должен проходить вдали от ветвей деревьев. Сильно натягивать его нельзя. В случае большого расстояния дачи от линии электропередач может потребоваться установка дополнительного столба.

Заземление

Так как сельские электросети подвержены частым обрывам, то при обрыве нулевого провода на электроустановках может появиться опасное для жизни напряжение.

Это происходит потому, что используется четырехпроводная система электроснабжения с совмещенным нулевым и заземляющим проводом. Поэтому в случае попадания фазы на корпус бойлера, например, на нем окажется напряжение 220 В. При этом автомат защиты не сработает, так как проходящие через него токи будут находиться в пределах нормы.

При прикосновении к корпусу, человек будет поражен электротоком. Чтобы этого не происходило нужно вместе с электропроводкой установить на даче заземление и устройство защитного отключения, которое реагирует на токи утечки (разность токов по фазному и нулевому проводам).

УЗО

Для защиты от пожара на вводе необходимо поставить селективное (противопожарное) УЗО, которое защитит дачу от пожара вследствие повреждения изоляции электропроводки.

В дачном доме это весьма вероятно. Значение отключающего тока должно быть в три раза больше всех токов утечки электропроводки и подключенных приборов на даче.

Это же соотношение должно соблюдаться при установке УЗО на отдельные группы или несколько групп. Для правильного подключения производитель дает пошаговые инструкции и наносит схему с главными параметрами.

Автоматы защиты

После разбивки электропроводки на группы, необходимо на каждую из них установить автомат защиты от короткого замыкания и перегрузок. На осветительные группы обычно устанавливаются автоматы на 10-16 А, на розеточные 16-25 А.

На дачу затруднительно получить разрешение на потребление электричества более 5 кВт, этот предел был установлен с давних времен для сельских домов и поселковые сети были на них рассчитаны.

Поэтому будем исходить из этих же допусков. При такой нагрузке для электропроводки розеточных групп и прокладки кабеля между щитом и распределительными коробками достаточно медного провода сечением 2,5 мм². Для групп освещения подойдет кабель сечением 1,5 мм².

Прокладка проводов

Для наружной электропроводки предусмотрены специальные выключатели, розетки и распределительные коробки. Используйте на даче именно их.

В случае скрытой электропроводки рекомендуется кабель прокладывать в гофрированной пластиковой трубе. В дальнейшем это позволит без ущерба для интерьера заменить поврежденный провод.

В распределительных коробках соединения проводов надо делать через клеммную колодку, если позволяет размер, или в скрутку с использованием СИЗ.

Все контакты должны быть тщательно заизолированы. Если есть возможность можно и пропаять. Заземляющий провод необходимо подключать через болтовое соединение.

Автоматы защиты от перегрузок, как и выключатели освещения, устанавливаются на фазный провод. При подключении розеток нужно проверить правильность подсоединения нулевого и заземляющего провода.

Проводка на даче своими руками тоже должна проводится с соблюдением всех правил устройства электроустановок и строительных норм. Кабель должен пролегать горизонтально или вертикально.

Подводка к выключателям производится сверху, к розеткам снизу. При прокладке сквозь стены дачи кабель электропроводки должен проходить через защитную трубу.

После окончания монтажа вся электропроводка проверяется на отсутствие короткого замыкания, с помощью мегометра определяется сопротивление изоляции.

Все работы по прокладке электропроводки не требуют высокой квалификации. Наиболее ответственные моменты, такие как прозвонка, можно поручить электрику.

Схема электропроводки должна быть изготовлена в нескольких экземплярах с указанием расстояний от пола, проемов, потолка и храниться с документами на дом и участок.

Как провести демонтаж электропроводки самостоятельно?

Что бы ответ был действительно полезным, необходим ряд уточнений:

Проводка наружная, или внутренняя?

Если внутренняя утопленная в штробах, есть ли у Вас желание «разбомбить» пол квартиры доставая провода из штроб?

Это главные вопросы.

Если проводка наружная, провода находятся под плинтусами, или в специальных кабель-каналах, то в этом случае демонтировать проводку не сложно.

Первый шаг это отключение всех автоматов на лестничной площадке (своих естественно, не соседских).

Обычно есть главный автомат (вводной) кабель к которому подходит сверху.

Вот это автомат отключается в первую очередь.

Затем автоматы находящиеся снизу.

После этого, на всякий случай, индикатором

проверяем провода.

Отключаем провода от автоматов.

Опять же на всякий случай «ткните» индикатором в розетки, выключатели.

В общем-то всё, дальше снимаем плинтуса (если провода под ними), откручиваем проводку от розеток, выключателей распределительных коробок и снимаем их при необходимости (я о розетках и выключателях).

Если проводка утоплена в штробах, то в 90% случаях её оставляют на месте, просто обесточивают , при необходимости снимают розетки, выключатели, если они будут в другом месте, то убираются подрозетники и розетки замуровываются заподлицо со стеной.

Но есть не очень понятный мне совет от профи, нельзя оставлять старые провода, причина как у ружья которое может выстрелить, хотя совершенно не понятно каким образом отключённые от автоматов провода могут замкнуть.

В общем на Ваше усмотрение.

Если будете производить полный демонтаж, то будьте готовы к тому что по всей квартире придётся делать ремонт, вырвать провода из штроб, не повредив обои, или другое покрытие стен, просто не возможно.

Вынимать провода из штроб, сложно, но пробуйте просто потянуть, иногда это срабатывает, правда со стен будут падать большие куски штукатурки.

Если провод застрял, то включайте перфоратор и по направлению уходящего в стену провода, начинайте «долбить».

Так же не забывайте о техники безопасности, особенно на первой стадии работ, на руках должны быть специальные перчатки, а инструмент с прорезиненными ручками.

Электропроводка своими руками. Как сделать электропроводку на даче, в квартире, гараже

В этом разделе я расскажу как своими руками сделать электропроводку дома, в квартире, гараже.

Основные правила прокладки электропроводки в перечисленных помещениях схожи, поэтому, если Вы сможете самостоятельно осилить прокладку электропроводки в квартире, то тем более сможете сделать это в загородном доме (на даче) или гараже.

Начать следует с определения способа прокладки проводов. Их существует, собственно, два:

• скрытый;
• открытый.

Скрытой электропроводкой я бы назвал ту, доступ к которой закрыт той или иной строительной конструкцией или материалом и не возможен без предварительного демонтажа этой конструкции. Хочу пояснить почему я дал такое витиеватое определение.

Дело в том, что для многих скрытая электропроводка ассоциируется с исполнением, когда провода прокладываются в штробе (рисунок 1а) или непосредственно по стене (рисунок 1б) с последующим оштукатуриванием.

Однако, возможен вариант, когда электропроводка проложена непосредственно по стене, которая впоследствии зашивается гипсокартоном или другим отделочным материалом (рисунок 1в).

Справедливости ради стоит заметить, что технология прокладки проводки во втором случае не отличается от выполнения монтажа электропроводки открытым способом, однако, после завершения отделочных работ свободный доступ к ней будет закрыт, о чем говорилось выше.

Несомненным достоинством вариантов 1а и 1б является их высокая пожаробезопасность, но не стоит забывать — неисправная электротехническая арматура (распределительные коробки, розетки, выключатели) в любом случае может служить причиной возгорания.

С точки зрения дизайна этот способ самый предпочтительный, однако, наиболее трудоемкий.

Значительно проще сделать своими руками открытую электропроводку, правда для квартиры это не очень эстетично, но для выполнения проводки по ранее рассмотренному варианту 1в для квартиры вполне подходит, а для гаража, например, или, отчасти, для загородного дома типа дачи, просто незаменим.

Здесь существует несколько способов прокладки электропроводки (рис.2).

1. Гофрошланг, выполненный из полимерных материалов. Удобен тем, что имеет внутри сталистую проволоку с помощью которой внутрь затягиваются провода. Крепление на несущие поверхности производится посредством специальных клипс, которые устанавливаются на саморезы (естественно, через дюбели), а в них вставляется снаряженный проводами гофрошланг.
2. Металлорукав. Обладает более высокими прочностными, огнестойкими характеристиками. Затягивание провода из- за отсутствия протяжки более сложное. Крепление производится специальными скобами, которые, равно как клипсы для гофрошланга, должны иметь соответствующий сопрягаемый размер. Для проводки внутри помещений используется достаточно редко.
3. Электромонтажный короб. Устанавливается на несущую конструкцию, после укладки электропроводки в лоток закрывается крышкой. Удобен легким доступом к проводке в процессе эксплуатации, позволяет в любое время, при необходимости, проложить дополнительные линии.
4. Крепление провода непосредственно электромонтажными скобами. Не очень удобный способ, может рекомендоваться для предварительного крепления провода в штробах. Прокладку при этом стоит производить по несгораемым поверхностям.

Это наиболее удобные, на мой взгляд, способы прокладки электропроводки.

© 2012-2020 г. Все права защищены.

Представленные на сайте материалы имеют информационный характер и не могут быть использованы в качестве руководящих и нормативных документов

Как самому проложить новую электропроводку в доме

Итак, вы решили заменить в доме проводку – старую на новую. С чего лучше начать? Прежде всего, нужно определиться: можно сменить проводку полностью – первый вариант, или же воспользоваться старой, и уже от нее провести дополнительные розетки и выключатели – второй вариант. Последний вариант проще, быстрее и дешевле (но не факт, что надежнее).

Поэтому рассмотрим первый вариант. Для начала нужно составить проект (который желательно согласовать в Энергонадзоре).

Запитать дом можно несколькими способами. Например, все комнаты будут подсоединены к электросчетчику через один автомат, розетки – соответственно через другой, а можно (и это наиболее правильно) каждую комнату запитать через отдельный автомат. Автоматы будут сгруппированы на щитке возле счетчика. Плюс этого варианта состоит в том, что в случае неисправности или другой необходимости можно обесточить любую из комнат, в то время как все остальные будут подключены.

В каждой комнате можно  прямо на стенах нарисовать крестики, где удобнее всего расположить электрозетки и выключатели.  По новому стандарту выключатели устанавливаются на уровне 80-90  сантиметров от пола, но лучше всего на уровне опущенной руки (опять-таки для удобства). Обратите внимание, чтобы они не оказались за шкафом или под ковром. Розетки устанавливаются примерно в 30 сантиметрах от пола.

А вообще, лучше руководствоваться правилом – располагать розетки и выключатели таким образом, чтобы ими было удобно пользоваться всем членам вашей семьи. Например, если у вас выделено место для глажки белья,  то устанавливать розетку на высоте 30 см от пола не имеет смысла, лучше установить ее в таком месте, и на таком уровне, чтобы вам было комфортно ею пользоваться.

На розетках не экономьте. В каждой комнате их можно установить по 2-3  и более, они не испортят интерьер комнаты. На кухне розетки необходимо устанавливать над разделочным столом, но не непосредственно над плитой или мойкой.

Теперь пройдитесь по комнатам и подсчитайте, сколько получилось  «точек» – крестиков. Для каждой такой точки необходимо приобрести коробку, в которой и будут размещаться розетки и выключатели. Не забудьте предусмотреть – сколько выключателей и розеток необходимо приобрести двойных и одинарных, а также розеток с заземлением и без заземления (как правило, приборы, используемые на кухне и в ванной комнате, требуют заземления, а в ванной, кроме того, лучше использовать розетки с закрывающимися крышками).

Теперь поговорим о соединительных проводах.   Провод лучше использовать медный многожильный с двойной изоляцией, например ВВГ. К розеткам подводится провод сечением не менее 2,5 мм², а к заземляющим розеткам – тройной провод того же сечения. Провод на освещение выбирается  сечением 1.5 мм2.

ВАЖНО: провод на освещение и для розеток тянуть отдельно от распределительной коробки. На мощные стационарные электроприборы – электроплита, стиральная машина также нужно проложить отдельные провода с заземлением. Электроплита или электродуховка подсоединяются проводом сечением не менее 4 мм².

Далее нам также понадобятся распределительные коробки, устанавливаемые в каждой комнате.  Как мы уже определились, от пускового автомата магистральный провод будет идти отдельно в каждую комнату к распредкоробке. Прикиньте приблизительно, какие электроприборы будут располагаться в комнате, и определите их суммарную мощность. От этого будет зависеть, какого сечения магистральный провод нам прокладывать от щитка к распредкоробке. Обычно, магистральные провода берутся сечением 2,5 мм². Этого  вполне достаточно, чтобы запитать комнату суммарной мощностью не менее 3 кВт. На современную кухню, где энерговооруженность очень высокая – микроволновая печь, электрочайник, холодильник, утюг, электродуховка,  и другие  электрические приборы — магистральный провод должен быть сечением 4 — 6 мм²,   а если на кухне установлена еще и электропечь  — то сечение провода выбирается согласно ТУ, указанным в документации на электропечь.

Итак, мощность рассчитана, сечения проводов определены. Теперь необходимо рассчитать длину проводов от каждой распредкоробки и маршрут их прокладки к установленным пускателям на электрощите. Провод необходимо брать длиной  на 1-2 метра больше от расчётного, чтобы его хватило цельного на всю длину прокладки. Категорически запрещено использовать магистральные провода, составленные из кусочков.

Чтобы проложить провод, нужно под него проштробить стену (т.е. сделать канавку) такой глубины, чтобы в нее свободно можно было вложить провод.   Если намечается установить подвесной потолок, то магистральные провода, предварительно заключенные в гофрированную трубу,  можно проложить по потолку, закрепив их хомутиками.  Не забудьте  подписать каждый провод (присоединить с помощью скотча бирки) – от какого автомата и в какую комнату он будет проложен. Так вам легче будет ориентироваться при подсоединении.

Следующий этап – нарисовать на стене пути прокладки проводов  от распредкоробки к розеткам, светильникам и выключателям. Заодно вычисляем длину проводов каждого сечения, не забывая делать допуски  в 1м. Укладываются провода в заранее подготовленые канавки. Предварительный допуск проводов, заведенных в распредкоробки, розетки, выключатели должен быть не менее 20 см. В обязательном порядке на концы проводов прикрепляем бирочки с указанием того, откуда идёт провод. В дальнейшем это на 90% сократит время при определении проводов,  какой с каким соединять.

Уделите особое внимание методу подсоединения проводов в распредкоробке. От этого будет зависеть надежность работы, как самих электроприборов, так и  обеспечение пожарной безопасности вашего жилья.

Обратите внимание, что жилы электропроводов разного цвета. Весьма важно определиться каким цветом провод вы подсоедините к фазе, а каким — к нулю.    Как известно, ток течет по двум проводам – по одному проводу он течет к электроприбору, а по второму – от прибора. Провод, ток по которому направляется к прибору – это фаза, а другой, соответственно — ноль. Определить фазу можно с помощью отвертки-индикатора (лампочка будет гореть). Какая разница, где ноль, а где фаза?  Дело в том, что выключателем будет разрываться фаза, и сделано это именно для того, чтобы щелкнув выключателем, мы могли спокойно ковыряться в светильнике. В двужильном проводе  провод синего цвета принято подсоединять к нулю (шина N в электрощите), тогда будем считать, что на протяжении всего процесса соединения (и соответственно соединять синий с синим) синий провод у нас будет ноль. Фаза всегда подходит к выключателю. Коричневый же провод подсоединяем к  фазе, а стало быть, и весь провод на протяжении всего соединения также будет соединен с фазой. Этот провод будет идти через выключатели на светильники.

Если провод тройной, то средний провод – желтый с зеленой полосой, будем считать заземлением, и подсоединяться он будет к заземлению (шина PE в электрощите).

Все провода от розеток, светильников и  выключателей должны сходиться в распредкоробке. Именно в распределительной коробке и будут находиться все возможные соединения. Например, в распределительную коробку заходит магистральный провод с тремя жилами – фаза, ноль и земля. Проложенный от розетки провод мы подсоединяем к магистральному: синий – ноль, желтый – земля, коричневый – фаза. От светильника также идет двойной провод к распредкоробке. К ней же подходит и провод от выключателя. Коричневый провод от выключателя мы подсоединяем к магистральному проводу коричневого цвета, а синий – ноль от магистрального провода мы подсоединяем к синему, который идет от светильника. Синий провод от выключателя мы подсоединяем напрямую с коричневым от светильника. Таким образом, все соединения  расположены в одном месте, что очень удобно (при обслуживании). Посоветовать здесь можно только одно: выбирайте распредкоробки достаточного размера для размещения в них всех соединений. Розетки между собой  можно подсоединять  проводом  одной марки и одинакового сечения, последовательно  от одной  к другой, за исключением случаев,  когда к розетке будет стационарно подключен особо мощный электроприбор – электродуховка, электропечь или какой-либо другой, требующий согласно ТУ отдельного подключения.

Теперь переходим к электрощиту. В нем мы должны установить пусковые автоматы. Автоматы выбираются на ток срабатывания в зависимости от нагрузки. Для комнаты суммарной мощностью 3 кВт достаточно 10 А. Для кухни с повышенной энергоемкостью – 15 — 20 А.  Но лучше всего в каждом конкретном случае получить консультацию у специалиста — электрика. Устанавливаются автоматы на так называемую «динрейку». После установки верхние клеммы автоматов соединяются с  фазным выходом счётчика и перемычками между собой сечением того провода, который подходит к счетчику. К нижним клеммам автоматов подсоединяем  коричневые провода от магистральных линий, а синие к шине N, к которой подключен «ноль» от счетчика. Эта шина устанавливается в электрощите. Так же в электрощите  устанавливается шина PE для  заземления, к которому будут подсоединены жёлтые провода с зелёной полосой. В настоящее время появилось много электрощитов разной формы и разных размеров. Поэтому, если у вас достаточно свободного места, то все соединения можно  расположить в одном электрощите  надёжно и красиво. Есть смысл  поставить общий реле напряжения сразу после счётчика. Благо, сейчас таких реле  великое множество – с цифровой индикацией входящего напряжения,  и кроме того выполняющих функцию защиты всего дома, как от превышения напряжения на вводе в дом, так и от понижения напряжения, и даже с возможностью ручной настройки этих параметров.

В число полезных защитных устройств можно отнести и такой прибор как УЗО — устройство защитного отключения. Но о нём  мы поговорим в следующем руководстве.

Что еще можно посоветовать? Если вы живете в многоэтажном доме и ваш электросчетчик расположен в общем электрощите на лестничной площадке, то в квартире лучше установить отдельный электрощит, как описано выше.

Подытожим:

• электротехнические работы начинаются одними из первых (выдалбливание углублений под коробки для розеток, выключателей, распредкоробок,  штробление  канавок для  проводов) и заканчиваются  так же одними из последних (установка светильников, розеток  и другой фурнитуры).
• при выборе розеток обратите внимание на способ крепления проводов. Во многих импортных розетках  используется специальное зажимное устройство,  в которое просто  всовывается провод. Такие розетки удобны в монтаже, и выдерживают значительные нагрузки.
• в одном блоке можно вместе размещать как розетки, так и выключатели.
• для ванной комнаты  лучше предусмотреть установку отдельного УЗО с расчетным током утечки 10 мА.
• если  Вы  не решаетесь самостоятельно заниматься электропроводкой, то все электротехнические работы  доверяйте  квалифицированным специалистам или организациям, имеющим  соответствующие лицензии.

Материалы, близкие по теме:

Монтаж электропроводки в частном доме

Монтаж или замена электропроводки в частном доме

Вне зависимости от того, проводите ли вы ремонтно-строительные работы самостоятельно или нанимаете подрядную организацию, необходимо ознакомиться с правилами и принципами выполнения монтажных работ. Это касается абсолютно всех этапов ремонта и электрические коммуникации не являются исключением.

Первое, что нужно знать об электрической сети в своем доме — это то, что монтаж начинается с ввода от опоры, и здесь нужно четко понимать, какой именно кабель необходимо проложить. Для этого необходимо рассчитать максимальную нагрузку, которая может возникнуть в процессе эксплуатации сети. Из итоговой суммы, получившейся в процессе расчетов, при помощи таблицы, выбираем сечение необходимого провода. В основном показатели общей нагрузки для частного сектора не превышают 15 кВт, и потому вполне хватит алюминиевого провода с сечением провода 25 мм по алюминию и 16 мм по меди. Для воздушного ввода в основном используют провод СИП – двухжильный или четырехжильный,

воздушная проводка кабеля для частного дома

а для подземного ввода  можно использовать кабель; ВВГ, АВВГ или бронированный ВбБШв.

подземнаяпроводка кабеля для частного дома

Основные правила электромонтажных работ в частном доме

После того, как линия будет подведена к узлу учета, можно приступать к монтажу внутренней разводки. И для того, чтобы правильно все сделать, необходимо придерживаться нескольких простых правил:

• Всю коммуникацию необходимо разбивать на группы. При этом каждая из них должна быть оснащена своей системой безопасности (автоматами защиты). Дополнительно необходимо проложить защитное заземление.

заземление в частном доме

Осветительная группа выполняется проводом с сечением 1.5 мм. и оснащаются автоматами на 10 А. Для группы розеток применяется провод на 2.5 мм. и автомат на 16 А.

• Стиральные машины, водонагреватели, электрические печи и прочие потребители с высоким потреблением электроэнергии необходимо оборудовать отдельными питающими проводами с заземлением и автоматикой.
• Все осветительные и розеточные группы, должны быть обеспечены трехжильной проводкой. Третья жила для заземления, которая надежно защитит человека от поражения электрического тока. Также необходимо помнить, что УЗО эффективно работает при наличии заземления.

узо в доме

Вся группа безопасности (автоматы) устанавливаются в электрическом щите. Электрощит должен монтироваться в легкодоступном месте. При ее обустройстве следует помнить о том, что автоматические автоматы — одни из самых важных элементов в электросети и экономить на них попросту кощунство. Лучше заплатить немного больше денег и получить гарантию надежной защиты. Самые надежные автоматы защиты находятся под такими брендами как; ABB, Legrand, Schneider Electric.

злектрощит в доступном месте

Некоторые специалисты рекомендуют устанавливать автоматическое реле, которое защищает от перепадов напряжения (реле напряжения).

реле контроля напряжения

В частном секторе, из-за молнии, можно лишиться одновременно всей электроаппаратуры. Чтобы избежать бытовой катастрофы, мудро установит реле перенапряжения (импульсные реле).

реле перенапряжения

Действие этих приспособлений сводится к тому, что при возникновении аварийной ситуации они мгновенно срабатывали и тем самым предотвращает непредсказуемые последствия, к которым относится и возгорание.

Также принято подключение дополнительных автономных источников энергии. Эта схема реализовывается при помощи дизельного или бензинового генератора и автоматической системы аварийного включения дополнительного источника питания (АВР). Переключение между городской линией и генератором используется автоматический или ручной рубильник.

Еще пара рекомендаций, которые понадобятся в процессе проведения работ:

• В зависимости от материала, из которого выполнено здание, выбирается способ прокладки проводки.
• Все соединения должны быть только в специальных коробках, которые должны быть доступными для обслуживания.
• Настоятельно рекомендуется соблюдать все правила безопасности и прокладывать провода в специальных негорючих изолирующих материалах (кабель-канал, гофра, металлические трубы и т. д.).

проводка в гофре

Если Ваши достижения в обращении с электросетью заканчиваются на банальной замене лампочки в осветительном приборе, то не стоит рисковать при замене всей проводки в доме, лучше обратиться за помощью к квалифицированному специалисту — электрику.

Оцените качество статьи:

Как добавить розетку в квартире самостоятельно

Довольно часто может сложиться ситуация, когда количества розеток в квартире, или в отдельной комнате, становится недостаточно для использования всех необходимых электроприборов. Приходится использовать удлинители, что создаёт определённые неудобства. Или включать приборы в сеть поочерёдно. Это приводит к большим затратам времени. Неудивительно, что многие люди задаются вопросом: как добавить дополнительную розетку в квартире?

Если проводка довольно старая и находится в неудовлетворительном техническом состоянии, то желательно заменить её целиком. Для этого прокладывают новую проводку уже с необходимым для удобного использования количеством электрических розеток. Данный вариант целесообразно совмещать с проведением капитального ремонта квартиры или частного дома. Поскольку полная замена проводки влечёт за собой нарушение целостности стен, и, соответственно, дальнейшее их восстановление.

Как добавить розетку в квартире

Более дешёвым и быстрым вариантом будет являться добавление одной или нескольких розеток в квартире без полной замены проводки. Этот вариант актуален, если в ближайшее время ремонт в квартире не планируется, а также, если электропроводка в квартире находится в нормальном состоянии, либо уже недавно производилась её замена. Конечно же, о количестве электрических розеток и о местах их размещения в квартире желательно думать до начала ремонта. Однако, если момент уже упущен, нужно решить как подключить дополнительную розетку в квартире

Как разместить кабель и розетку на стене

При установке дополнительных розеток в квартире в первую очередь нужно решить, какой тип розетки будет использоваться – наружной или внутренней установки, то есть накладная или встраиваемая. То же касается и кабеля от розетки до участка электропроводки, на котором уже есть питание. Поскольку существует скрытый или открытый способ монтажа кабеля.

Скрытая проводка и встраиваемая розетка

Какой вариант установки розетки и прокладки кабеля выбрать – решать Вам.
Встраиваемая розетка и скрытая проводка, естественно выглядит наиболее удачным вариантом с эстетической точки зрения. Однако, как уже было сказано выше, в большинстве случаев такой вариант влечёт за собой довольно дорогостоящий ремонт. Необходимо будет штробить стену, делать отверстие под монтажную коробку. При этом будет нарушена целостность стены и повреждено её отделочное покрытие.

Открытая проводка и накладные розетки

Монтаж кабеля открытым способом (снаружи стены), а также установка розеток накладного типа позволит выполнить работы с наименьшими трудозатратами, а также минимизировать количество пыли и грязи. Такой способ позволит сохранить отделочное покрытие стены, на которой планируется установить розетку и проложить кабель.

Монтаж проводки открытым способом: минимум затрат и работ

Минусом данного метода является то, что добавленный участок проводки будет виден, что выглядит не слишком аккуратно. Решить данную проблему можно несколькими способами. Например, если возможно, то проложить участок проводки, спрятав его за элементами интерьера комнаты. Это уже не будет бросаться в глаза, и может являться приемлемым вариантом. Также достаточно простым решением является расположения кабеля под плинтусом — это не влечёт за собой масштабных ремонтных работ, и само по себе является достаточно экономичным вариантом.

Как добавить розетку в квартире со стенами из гипсокартона

В том случае, когда стены в квартире отделаны гиспокартоном, монтаж скрытых элементов электропроводки значительно упрощается. Для установки розетки в данном случае нужно будет выбрать пустой проем между монтированными на стене профилями и выполнить отверстие под монтажную коробку. Если розетка находится под распределительной коробкой, то дополнительный участок кабеля можно проложить в пустоте между профилями. Или же протянуть провод вниз, а внизу проложить провод в кабель-канале либо внутри плинтуса, который конструктивно предназначен для прокладки кабеля.

Проложить проводку можно незаметно, протянув ее внутри плинтуса

Вариантов проложить проводку множество – все зависит от конкретных условий в квартире. Окончательный выбор, как всегда, за Вами.

Как выбрать розетку

Существует множество видов розеток, отличающихся между собой по конструкции и по предназначению.

Конструкция и предназначение розеток

Для использования в квартирах и частных домах рекомендуется использовать несколько видов:

• Простая без заземления (Тип С 1а) Подходит для работы простых приборов, в рабочем режиме выдерживает напряжение до 250 Вт при постоянном токе 10А либо при переменном до 16А
• С двумя контактами по бокам для заземления (Тип С 2а) Подходит для подключения нагревательных колонок, котлов, стиральных машин, микроволновых печей, насосов и другой бытовой техники. Параметры мощности сравнимы с предыдущими
• Оснащёные заземлением штифтового формата (Тип С 3а) Подойдёт для подключения более мощных электробытовых приборов. Характеристики — такие же, как у С2а
• Тип С5 — розетки старого образца, выдерживающие всего 6А
• Евророзетки с выступающим корпусом и широко расположенными отверстиями под вилку. (Тип С 6) подходят для устройств с такими же вилками.

Выбираем розетку по способу монтажа

По способу монтажа различают розетки наружной и внутренней фиксации. Часто точку питания выполняют в виде двойника или блока, состоящего из нескольких розеток. Наружная – часто используется в старых домах, ретро интерьерах. В целях безопасности прокладывается под металлическими трубами, чтобы исключить возможность соприкосновения проводки с поверхностью стены. Предусматривает проведение дополнительных слесарных работы. Чтобы не нарушить визуальное восприятие ретро стиля, на одной диэлектрической подложке можно установить дополнительную розетку рядом с основной.

Розетки наружной фиксации с проводкой открытого типа часто используются в ретро-интерьерах

Выбирают розетку согласно стилю, спрятав провода за крышкой, чтобы не нарушить общую картину. При использовании скрытой розетки вся проводка оказывается скрытой внутри стены – кабель укладывается в специальные канавки – штробы, а розетка с подрозетником монтируется в специально высверленную для этого выемку.

Видео: Как подключить бытовую розетку

Выбор кабеля

Во избежание перегрева проводки и последующего её выхода из строя необходимо соблюдать некоторые требования при выборе кабеля. Для монтажа в квартире используют двухжильный, либо трёхжильный провод. Двухжильный провод состоит из двух жил – нуля и фазы, заземление в этом случае не используется. Трёхжильный провод позволяет выполнить заземление. Выполнение заземления повышает безопасность использования электропроводки, а также снижает риски удара током. Использовать заземление при добавлении розетки в квартире можно только в том случае, когда жила заземления есть на участке, от которого планируется подключение нового участка кабеля.

Двухжильный провод состоит из двух жил – нуля и фазы

Материал и диаметр сечения кабеля

Также при выборе кабеля необходимо учитывать диаметр его сечения и материал их которого он изготовлен. В квартирах и жилых домах по требованиям пожарной безопасности желательно применять медный кабель. Медь по сравнению с алюминием меньше перегревается и выдерживает большие нагрузки. Диаметр кабеля используемого в квартирах может быть от 1,5 до 3 квадратных миллиметров, однако по таблице длительно допустимых токовых нагрузок для электробытовых приборов суммарной мощностью от 2 до 4 кВт целесообразно использовать кабель сечением 2,5 квадратных миллиметра.

Подключение от уже имеющейся розетки

Рассмотрим один из самых простых способов добавить розетку в квартире – подключиться к уже имеющейся розетке. Данный способ предусматривает подключение кабеля к новой дополнительной розетке от другой розетки, уже находящейся в комнате. Такой способ допустимо применять при подключении новой розетки только в случае, когда не планируется использовать электроприборы большой мощности. Как правило, в данном случае подводится кабель сечением 1,5-2 кв. мм, подходящий для использования бытовых электроприборов, мощностью не превышающих 2 кВт. Использование более мощных электроприборов может привести к перегреванию контактов, выходу из строя кабеля и ухудшению качества соединения.

Расчет суммарной нагрузки

В данном случае нагрузку нужно рассчитать таким образом, чтобы в сумме с нагрузкой уже имеющейся розетки, суммарная нагрузка не превышала допустимую для кабеля и других элементов электропроводки, проложенной к данной розетке. То есть данным способом можно подключить одну розетку от другой в случае если суммарная нагрузка обеих розеток не превышает максимальную для данного участка кабеля. Кроме того, в данном случае обязательно нужно помнить о том, что при подключении новой розетки от уже имеющейся, по контактным зажимам первой розетки будет протекать ток равный суммарной нагрузке обеих розеток. Вот почему нельзя допускать, чтобы суммарная нагрузка обеих розеток превышала допустимую величину для одной (первой) розетки.

Допустим, например, что суммарная нагрузка двух розеток равна 20 А, тогда для кабеля сечением 2,5 кв. мм, данная нагрузка будет ниже номинальной. Однако для розетки от которой выполняется подключение, допустимый ток не более 16 А, следовательно данная нагрузка будет чрезмерна и высока вероятность того, что розетка быстро выйдет из строя при одновременном использовании обеих розеток.

Подключение от распределительной коробки

Ещё один способ подключения – подключение дополнительной розетки от ближайшей распределительной коробки. Прежде чем подключать дополнительную розетку от уже имеющейся распределительной коробки нужно убедиться, что участок электрического кабеля, питающий данную коробку, имеет достаточную для подключения новой розетки нагрузочную способность.

Пример расчета суммарной нагрузки

Например, нам нужно подключить розетку рассчитанную на нагрузку 10 А. К выбранной распределительной коробке уже подключено две розетки суммарной мощностью 14 А. Кабель, ведущий от распределительного щитка к выбранной нами распределительной коробке имеет сечение 4 мм кв. Автоматический выключатель, установленный для защиты данного участка сети рассчитан на номинальный ток 16 А.

Если добавить дополнительную розетку, то суммарная нагрузка трех розеток будет равна 24 А. Для провода, по которому поступает питание к данной распределительной коробке от щитка, такая нагрузка допустимая. То есть данный вариант подключения розетки допустим. Однако, нужно понимать, что автоматический выключатель установленный для защиты данного участка сети при повышении нагрузки на данном участке электропроводки необходимо будет заменить с 16 А на 25 А. При этом автоматический выключатель защитит от перегрузки участок проводки. Однако, розетки не защищаются в полной мере, так как номинальный ток для каждой из розеток равен 16 А, а номинальный ток для автоматического выключателя равен 25 А.

Применение светодиодных лент в квартире и доме

Прямое подключение от главного распределительного щитка

Следующий способ предусматривает подключение новой розетки от главного распределительного щитка квартиры. Этот способ актуально использовать для подключения электроприборов высокой мощности. А также, если нагрузочная способность участка электропроводки или всей проводки в квартире в целом не позволяет подключить дополнительную розетку одним из способов предложенных выше.

Преимущества подключения от главного распределительного щитка

Очевидным преимуществом подключения дополнительной розетки от распределительного щитка является высокая надежность. Это обусловлено, в первую очередь, отсутствием промежуточных контактных соединений. Кроме того, данный способ характеризуется высокой степенью защиты. Поскольку для защиты данного участка устанавливается индивидуальный автоматический выключатель, подобранный с учетом всех допустимых параметров для всех элементов данной сети.

Как добавить розетку в квартире понятно. Однако во всех этих случаях нужно соблюдать необходимое сечение кабеля для новой точки. Обычно для питания розеток в квартире выбирается кабель сечением 2,5 мм. кв. Однако, если у Вас в планах есть использование электроприборов высокой мощности (прямым подключением от щитка), то сечения в 2,5 мм.кв. может быть недостаточно. Тогда имеет смысл подобрать кабель большего сечения.

Общие правила

Когда выбрали один из способов подключения дополнительной розетки. А также определили её местоположение в квартире можно начинать подготовительные работы. Необходимо помнить, что прокладка электропроводки, установка новой розетки проводятся только после полного обесточивания сети. Это производится путём отключения автомата или пробок. Чтобы убедиться что сеть полностью обесточена необходимо воспользоваться специальным индикатором. В идеале можно применять сразу два индикатора. Это поможет безошибочного получить результаты и избежать нежелательных последствий.

Что делать, если человека ударило током. Первая необходимая помощь пострадавшему человеку

Необходимо помнить, что прокладка электропроводки, установка новой розетки проводятся только после полного обесточивания сети путём отключения автомата

Если Вы решили использовать скрытый способ прокладки электропроводки и установки розетки скрытым способом, то необходимо выполнить подготовку штробы и места для монтажной коробки под дополнительную розетку. В случае с использованием открытого способа прокладки кабеля выполняется монтаж кабель-каналов для нового кабеля, а также выполняется установка крепежных элементов для крепления накладной розетки.

Помним о безопасности, удобстве и эстетике

Необходимо помнить, что перед тем как начать работы по монтажу нового участка кабеля и дополнительной розетки необходимо убедиться в том, что на выбранном месте прокладки проводки и монтажа розетки не проходит уже существующий кабель другой линии электропроводки. Также стоит учитывать удобство расположения дополнительной розетки и нового кабеля, чтобы в будущем, при необходимости установить на стену какие-либо элементы интерьера не мешала новая розетка либо чтобы не повредить смонтированный кабель.

Розетки удобнее всего размещать на высоте 0,5-1 м от пола, но не ниже 30 см от плинтуса. Наиболее актуально размещать по одной розетке на каждые 6 – 8 квадратных метров жилья.

Порядок монтажа розетки

Существует определенный порядок как добавить розетку в квартире:

1. Отключить электропитание, обесточить помещение, где проводятся строительно — монтажные работы. При помощи специального индикатора убедиться, что всё сделано правильно.
2. Демонтировать крышку с розетки.
3. Извлечь прибор, освободив удерживающие контакты.
4. Подключить проводку к новой розетке.
5. Убедиться, что провод не передавлен ограничителем, при необходимости увеличить отверстие в стене или в подрозетнике, подогнав его под размер кабеля.
6. Установить новую розетку на место.
7. Выполнить отверстие в крышке для кабеля.
8. Прикрутить крышку на место.
9. Проводку спустить вниз к плинтусу, либо провести к нужной точке, прикрепляя к стене с шагом 30–40 см.

При наличии минимальных знаний и необходимых инструментов добавить розетку в квартире можно самостоятельно

Уяснив, как добавить розетку в квартире, рекомендуем придерживаться правил техники безопасности. А также соблюдать требования по обустройству электрической сети. Так Вы сможете создать надёжную систему с продолжительным сроком эксплуатации. При наличии минимальных знаний и необходимых инструментов, всю работу Вы сможете произвести самостоятельно своими руками.

Программа самообучения 873003 — Как читать электрические схемы — Скачать PDF

Программа самообучения 873003 — Как читать электрические схемы PDF бесплатно онлайн

По мере того, как современные автомобили становятся все более сложными, работа техника становится все более сложной.
Навыки навигации по электрическим схемам имеют решающее значение для своевременной и точной диагностики и ремонта современного автомобиля.

Эта программа самообучения не предназначена для обучения техника, как работает электрическая система в автомобиле.Данная программа самообучения познакомит вас с навыками, необходимыми для чтения электрических схем Volkswagen, с учетом принципов работы электрооборудования.

В этой программе вы познакомитесь со всеми аспектами электрических схем, в том числе:

• Общеупотребительные символы и их значения
• Текущие треки, включая то, как следовать цепям между страницами или диаграммами
• Обозначение компонента
• Стандарты DIN для обозначений клемм
• Коды цветов и калибр (размер) проводки
• Обозначение клемм на разъемах и компонентах

В этой книге приведены примеры различных типов схем.Компакт-диск с компьютерным обучением (CBT), включенный в конце этого самообучения, предоставит возможность попрактиковаться в навигации по схемам подключения на практике. Области текста, которые дают техническому специалисту возможность попрактиковаться в концепциях CBT, будут обозначены значком компакт-диска (ниже) в начале этого раздела.

Этот курс позволит вам:

• Отслеживайте ток от источника питания до точки заземления быстро и точно.
• Понимать символы общих компонентов и обозначения электрических цепей, используемые на электрических схемах Volkswagen.
• Практическая электрическая схема Навигация по практическим упражнениям и практическим примерам

СОДЕРЖАНИЕ

• Цели курса
• Введение
• Обзор электрической схемы
• Элементы электросхемы
  • Обозначения
  • DIN 72552
  • Введение в проводники
  • Провода
  • Цвет проводов
  • Сечение проволоки
  • Прочие описания проводов
  • Назначение контактов разъема
  • Компоненты
• Схема
• Практические примеры
  • Навигация 1
  • Навигация 2
  • Навигация 3
  • Навигация 4
• Приложение A: Обозначения компонентов
• Приложение B: Подключение проводов
• Приложение C: Коды компонентов и проводка
• Приложение D: Стандарты DIN
• Приложение E: Схемы подключения
• Глоссарий
• Телетест

Язык: Английский
Формат: PDF
Страниц: 83

Программа самообучения 873003 — Как читать электрические схемы PDF бесплатно онлайн

Ферментативная самопроверка в нанопорах и ее применение в биотопливных элементах с прямым переносом электронов

Сообщается о синтетической ферментативной активности в нанопорах, ведущей к непосредственному производству модифицированных электродов, применимых в качестве биосенсоров и / или элементов биотопливных элементов.Мы демонстрируем гетерогенную ферментативную имплантацию нанокластеров платины, PtNC, в глюкозооксидазу, GOx, иммобилизованную на мезопористых углеродных наночастицах, на поверхность, модифицированную MPCNP. Поскольку поры ограничивают рост кластеров, сборка PtNC @ GOx / MPCNP становится электрически связанной с матрицей, демонстрируя прямой перенос электронов, DET, биоэлектрокаталитические свойства, которые коррелируют с примененной продолжительностью синтеза и размером кластера. Этот рост нанокластеров изнутри наружу от кофактора к матрице исследуется и далее сравнивается со стратегией обращенного вовнутрь наружу, которая следует за электрохимическим осаждением кластеров Pt внутри пор и их электрически индуцированным расширением к центру FAD фермента.Хотя методологии изнутри наружу и снаружи внутрь обеспечивают впервые синтетические двунаправленные прямые пути проводки фермента к поверхности, мы подчеркиваем асимметрию в эффективности проводки, связанную с различными сборками. Результаты указывают на существование более короткого промежутка между кофактором FAD и PtNC в ферментативно имплантированной сборке, что приводит к повышенным биоэлектрокаталитическим токам, снижению перенапряжения и более высокой скорости оборота, 2580 e ^— s ^-1 .Затем имплантированный узел соединяют с катодом из MPCNP, адсорбированным билирубиноксидазой, чтобы получить биотопливный элемент, полностью изготовленный из DET. Благодаря превосходному электрическому контакту анода, синтезированного наизнанку, эта ячейка демонстрирует повышенный потенциал разряда и выходную мощность по сравнению с аналогичными системами, в которых используются электрохимически синтезированные вне выращенные PtNC-GOx / MPCNP или даже MPCNP, модифицированные GOx, диффузионно опосредованные ферроценметанолом.

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности.Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались.Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г.,
  браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie.Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с вашим системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Чтобы предоставить доступ без файлов cookie
потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файлах cookie может храниться только информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта. Например, сайт
не может определить ваше имя электронной почты, пока вы не введете его. Разрешение веб-сайту создавать файлы cookie не дает этому или любому другому сайту доступа к
остальной части вашего компьютера, и только сайт, который создал файл cookie, может его прочитать.

Как самоуничтожается нервная проводка — ScienceDaily

Нервы страдают от многих медицинских проблем, от травм в автомобильных авариях и побочных эффектов химиотерапии до глаукомы и рассеянного склероза.Общей темой в этих сценариях является разрушение нервных аксонов, длинных проводов, которые передают сигналы другим частям тела, обеспечивая движение, зрение и осязание, а также другие жизненно важные функции.

Теперь исследователи из Медицинской школы Вашингтонского университета в Сент-Луисе нашли способ, которым организм может удалять поврежденные аксоны, определяя потенциальную мишень для новых лекарств, которые могут предотвратить неуместную потерю аксонов и поддерживать функцию нервов.

«Лечение дегенерации аксонов потенциально может помочь многим пациентам, потому что существует так много заболеваний и состояний, при которых аксоны теряются ненадлежащим образом», — говорит Аарон ДиАнтонио, доктор медицинских наук, профессор биологии развития.«Хотя это не будет лекарством ни для одного из них, есть надежда, что мы сможем замедлить прогрессирование целого ряда заболеваний, сохраняя аксоны здоровыми».

ДиАнтонио — старший автор исследования, опубликованного 9 мая в журнале Cell Reports .

Хотя дегенерация аксонов, по-видимому, является основной причиной таких заболеваний, как рассеянный склероз, она также, как ни парадоксально, играет важную роль в правильном подключении нервной системы развивающихся эмбрионов.

«Когда эмбрион строит свою нервную систему, могут быть несоответствующие или чрезмерные отростки аксонов, или аксоны, которые необходимы только на одном этапе развития, а не позже», — говорит ДиАнтонио.«Эти аксоны дегенерируют, и это очень важно для нервной системы. И у взрослых организмов может быть полезно иметь чистый и быстрый способ удалить поврежденный аксон из здорового нерва, вместо того, чтобы позволить ему распасться и потенциально повредить его. соседние аксоны «.

ДиАнтонио сравнивает этот процесс с запрограммированной гибелью клеток или апоптозом, который также важен для эмбрионального развития. Апоптоз убирает ненужные или поврежденные клетки из организма. Если программы гибели клеток становятся сверхактивными, они могут убить здоровые клетки, которые должны остаться.А если апоптозу не удается уничтожить поврежденные клетки у взрослых, это может привести к раку.

Новое открытие также подчеркивает относительно недавнее понимание того, что потеря аксонов не является пассивным процессом распада в результате травмы. Подобно тому, как апоптоз активно разрушает клетки, дегенерация аксонов является результатом клеточной программы, которая активно удаляет поврежденный аксон. При некоторых заболеваниях программа может запускаться некорректно.

«Мы хотим понять дегенерацию аксонов на том же уровне, что и запрограммированную гибель клеток, в надежде разработать лекарства, которые блокируют этот процесс, когда он становится сверхактивным», — говорит ДиАнтонио.

Основными сотрудниками ДиАнтонио в этом проекте являются Джеффри Д. Милбрандт, доктор медицины, доктор философии, профессор Джеймса С. Макдоннелла и глава отдела генетики, а также первый автор Элизабетта Бабетто, доктор философии, научный сотрудник постдокторантуры.

Изучая мышей, исследователи обнаружили, что ген под названием Phr1 играет важную роль в управлении самоуничтожением поврежденных аксонов. Когда они удалили Phr1 у взрослых мышей, отрубленная часть аксонов оставалась неповрежденной намного дольше, чем у генетически нормальных мышей.

У нормальных мышей оторванный аксон полностью дегенерировал через два дня. У мышей без Phr1 они обнаружили, что около 75 процентов отрубленных аксонов оставались на протяжении пяти дней, а четверть сохранялась не менее 10 дней после разрезания. Мыши не проявляли побочных эффектов и не испытывали явных проблем из-за отсутствия Phr1 .

Открытия повышают вероятность того, что блокирование белка Phr1 лекарством может поддерживать поврежденные аксоны живыми и функциональными, тогда как организм обычно вызывает самоуничтожение аксонов.

ДиАнтонио подчеркивает, что он не пытается спасти аксоны, не связанные с остальной частью нерва. Парадигма — это просто хороший способ смоделировать повреждение нервов. Во многих случаях, например, при раздавливании или болезненных процессах, при которых аксон не разрывается, блокирование белка Phr1 может потенциально сохранить прикрепленный аксон, который в противном случае самоуничтожился бы.

Важно отметить, что группа исследователей также изучила зрительные нервы центральной нервной системы, которые повреждены при глаукоме, и обнаружила аналогичные защитные эффекты от потери Phr1 .

«Это не первый идентифицированный ген, потеря которого защищает аксоны млекопитающих от дегенерации», — говорит ДиАнтонио. «Но это первый документ, который демонстрирует доказательства работы центральной нервной системы. Поэтому он может быть важен при таких состояниях, как глаукома, рассеянный склероз и другие нейродегенеративные заболевания, где центральная нервная система является основной проблемой».

ДиАнтонио также указывает возможные способы помощи больным раком. Многие химиотерапевтические препараты вызывают повреждение периферических аксонов, что может ограничивать допустимые пациентом дозы.

В рамках нового исследования исследователи показали, что интактные аксоны без Phr1 были защищены от повреждений, вызванных винкристином, химиотерапевтическим препаратом, используемым для лечения лейкемии, нейробластомы, болезни Ходжкина, неходжкинской лимфомы и других видов рака.

«В этом случае потеря аксонов не вызвана болезнью», — говорит ДиАнтонио. «Это вызвано лекарствами, которые назначают врачи. Вы знаете дату, когда это начнется. Вы знаете дату, когда это закончится. Это, вероятно, то место, где я наиболее оптимистично настроен, что мы можем оказать влияние.«

Суперкомпьютер с автоматическим подключением

Bloomberg

Звезды жадности, банкиров и политики в датском обвале с отрицательной процентной ставкой

(Bloomberg) — Страна с самой длинной историей отрицательных процентных ставок только что достигла важной вехи, которая может дать представление о том, что В Дании коммерческим банкам пришлось поглотить отрицательные ставки с тех пор, как они были впервые введены центральным банком в 2012 году. К 2019 году отрасль начала разделять стоимость этой политики с розничными вкладчиками.Сегодня датчане вместе со своими банками являются мировыми чемпионами в том, чтобы нести бремя отрицательных процентных ставок, при этом пострадало 35% депозитов. На прошлой неделе правительство в Копенгагене решило вмешаться. Министр, отвечающий за банковское законодательство, Саймон Коллеруп обратился в в социальные сети, чтобы начать атаку на финансовый сектор, и на ту «жадность», которую, по его словам, он представляет. «Банки в последнее время снижают планку отрицательных ставок», — сказал он. «И это просто должно прекратиться», — прокомментировал он день спустя после того, как Danske Bank, крупнейший кредитор Дании, заявил, что он следует за другими в отрасли и более чем вдвое снизил свой порог для введения ставки минус 0.6%. В результате частные вкладчики с суммой более 100 000 крон (16 000 долларов США) будут платить 0,6% за хранение сбережений, превышающих эту сумму, в банке. «Меня беспокоит, что банки будут продолжать закручивать гайки в отношении отрицательных ставок, так что среднестатистическим датчанам придется платить хранят свои деньги в банке », — сказал министр в письменном комментарии Bloomberg. Коллеруп, который вызвал ассоциацию банкиров на переговоры, говорит, что нет оправдания передаче отрицательных ставок частным клиентам, и отвергает идею о том, что денежно-кредитная политика играет роль в определении ставок коммерческих банков.Политика ставок Битва, которая сейчас разворачивается между датскими банками и правительством, дает представление о том, где могут лежать пределы отрицательных ставок, и показывает, что эти ограничения могут быть политическими, а не денежными. Отрицательные ставки стали громоотводом, который Коллеруп схватил, чтобы заработать. «Противостояние жадности, неравенству доходов и расколу в обществе», — сказала Хелле Иб, политический обозреватель Borsen, крупнейшей деловой газеты Дании. Ассоциация банкиров Finance Denmark поставила под сомнение достоинства экономических аргументов Коллерупа.А в пятницу центральный банк выпустил напоминание, указав, что его отрицательные процентные ставки (которые обусловлены привязкой кроны к евро) влияют на ставки по депозитам и кредитам во всей экономике. Он также намекнул, что политики не должны вмешиваться в этот процесс. «Процентные ставки банков — дело их самих и их клиентов», — сказал глава центрального банка Ларс Роде. Карстен Эгерис, исполнительный директор Danske Bank, отмечает, что датчане также пользуются низкими процентными ставками по своим ипотечным кредитам, которые он назвал « обратная сторона медали.«Эта динамика« в большинстве случаев намного перевешивает издержки отрицательных процентных ставок по депозитам », — сказал он. Дания на два года опережает еврозону, которая впервые ввела отрицательные ставки в 2014 году. Джеспер Рангвид, профессор финансов. из Копенгагенской школы бизнеса, говорит, что из датского опыта для экономики еврозоны можно извлечь некоторые уроки. Он также отмечает, что отрицательные банковские ставки — не та разрушительная сила, о которой когда-то можно было вообразить. Фактически, Рангвид отмечает, что после многих лет нулевых и, в конечном итоге, отрицательных ставок по депозитам физических лиц, депозиты в Дании продолжали расти.«Самый важный вывод — клиенты не уходили из банков», — сказал он по телефону. «Это было опасение вначале, но этого не произошло». Иб из Borsen говорит, что не факт, что Коллеруп действительно вмешается. В конечном счете, это, вероятно, скорее «сигнал, чем настоящая революция экономической политики», — сказала она. Чтобы узнать больше о подобных статьях, посетите наш сайт bloomberg.com. Подпишитесь сейчас, чтобы быть впереди самого надежного источника деловых новостей. © 2021 Bloomberg LP

Самоорганизация, обусловленная пластичностью, при топологических ограничениях, учитывает неслучайные особенности кортикальной синаптической проводки

Abstract

Понимание структуры и динамики корковых соединений жизненно важно для понимания корковых функций.Экспериментальные данные убедительно свидетельствуют о том, что локальные рекуррентные связи в коре в значительной степени не случайны, демонстрируя, например, двунаправленность с высокой вероятностью и чрезмерную представленность определенных треугольных мотивов. Дополнительные данные свидетельствуют о значительной зависимости расстояния от связности в локальном масштабе в несколько сотен микрон и определенных закономерностях динамики синаптического оборота, включая распределение синаптической эффективности с тяжелым хвостом, распределение времени жизни синапсов по степенному закону и тенденцию к более сильному. синапсы становятся более стабильными с течением времени.Понимание того, сколько из этих неслучайных функций одновременно возникает, даст ценную информацию о развитии и функциях коры головного мозга. В то время как в предыдущей работе были смоделированы некоторые индивидуальные особенности локальной корковой проводки, не существует модели, которая бы всесторонне учитывала их все. Мы представляем пиковую сетевую модель кортикального среза уровня 5 грызунов, которая посредством взаимодействия нескольких простых биологически мотивированных внутренних, синаптических и структурных механизмов пластичности качественно воспроизводит эти неслучайные эффекты в сочетании с простыми топологическими ограничениями.Наша модель предполагает, что механизмы самоорганизации, возникающие из небольшого числа правил пластичности, дают экономное объяснение многочисленным экспериментально наблюдаемым неслучайным особенностям повторяющихся корковых проводников. Интересно, что подобные механизмы, как было показано, наделяют повторяющиеся сети мощными способностями к обучению, предполагая, что эти механизмы являются центральными для понимания как структуры, так и функции корковых синаптических проводников.

Сведения об авторе

Проблема того, как мозг подключается к самим себе, имеет важное значение для понимания как развития мозга, так и познания.Микроскопическая структура контуров неокортекса взрослого человека, который часто считается центром наших высших когнитивных способностей, все еще плохо изучена. Недавние эксперименты предоставили первый набор результатов по структурным особенностям этих схем, но неизвестно, как эти особенности возникают и как они поддерживаются. Здесь мы представляем модель нейронной сети, которая показывает, как эти функции могут появиться. Это порождает многочисленные особенности связности, которые наблюдались в экспериментах, но никогда ранее не создавались одновременно с помощью одной модели.Наша модель объясняет развитие этих структурных особенностей как результат процесса самоорганизации. Результаты предполагают, что для получения, по крайней мере в первом приближении, различных характерных особенностей типичного фрагмента микросхем мозга требуется всего несколько простых механизмов и ограничений. При отсутствии какого-либо из этих механизмов одновременное создание всех желаемых характеристик не удается, что предполагает минимальный набор необходимых механизмов для их создания.

Образец цитирования: Miner D, Triesch J (2016) Самоорганизация, обусловленная пластичностью, при топологических ограничениях, учитывает неслучайные особенности кортикальной синаптической проводки.PLoS Comput Biol 12 (2):
e1004759.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004759

Редактор: Олаф Спорнс,
Университет Индианы, США

Поступила: 21.08.2015; Одобрена: 18 января 2016 г .; Опубликовано: 11 февраля 2016 г.

Авторские права: © 2016 Miner, Triesch. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Данные и код связаны с постоянным веб-пространством проекта по адресу https://fias.uni-frankfurt.de/pm/projects/lif-sorn/wiki/Wiki

Финансирование: JT — это Йоханна Квандт, профессор-исследователь Франкфуртского института перспективных исследований. Финансирование этого исследования было предоставлено Johanna Quandt Stiftung (http://www.johanna-quandt-stiftung.de/). Финансирующие организации не играли никакой роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, принятии решения о публикации или подготовке рукописи.

Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

Введение

Паттерны синаптических связей в нашем мозгу считаются нейрофизиологическим субстратом наших воспоминаний и структурой, на которой вычисляются наши когнитивные функции. Понимание развития микроструктуры коры головного мозга имеет важное значение для понимания процессов развития и когнитивных / вычислительных процессов.Такое понимание было бы бесценным для понимания коренных причин когнитивных нарушений и нарушений развития, а также для лучшего понимания природы вычислений, выполняемых корой головного мозга. Считается, что небольшая популяция сильных синапсов формирует относительно стабильную основу в повторяющихся корковых сетях — возможно, основу долговременной памяти — в то время как большая популяция более слабых связей формирует более динамичный пул с высокой скоростью оборота [1–1]. 3]. Было показано, что большая часть латеральной рекуррентной связности слоев коры в значительной степени неслучайна [4–6], с акцентом на слой 5 (L5), поскольку это более традиционно исследуется с помощью исследований срезов.Остается открытым вопрос, какие неслучайные особенности развиваются в результате прямого генетического программирования, нейронной пластичности при структурированном вводе и спонтанной самоорганизации. Мы исследуем здесь несколько отмеченных неслучайных особенностей повторяющихся корковых проводников, которые, по нашему мнению, могут быть объяснены как результат спонтанной самоорганизации — в частности, самоорганизации, вызванной взаимодействием множества механизмов нейронной пластичности. Особенности, которые мы рассмотрим, — это распределение синаптической эффективности или размеров дендритных шипов с тяжелыми хвостами, логарифмически нормальное [6–10] и связанная с ними синаптическая динамика, а также чрезмерная репрезентативность двунаправленной связности и определенных мотивов треугольных графов [6].

Взаимодействие множественных механизмов пластичности, таких как синаптическое масштабирование и пластичность Хебба, изучалось ранее [11–14], с результатами, предполагающими, что взаимодействия таких механизмов полезны для формирования и стабильности паттернов репрезентации. Однако мы хотим более подробно рассмотреть, как такая самоорганизация может происходить в коре головного мозга. Предшественником модели, которую мы используем для решения этих проблем, является самоорганизующаяся рекуррентная нейронная сеть, или SORN [11].СОРН — это повторяющаяся сетевая модель возбуждающих и тормозных бинарных нейронов, которая включает механизмы как геббовской, так и гомеостатической пластичности. В частности, он включает бинаризованную пластичность, зависящую от времени спайков (STDP), синаптическую нормализацию (SN) и внутреннюю гомеостатическую пластичность (IP). В некоторых вариантах также используется структурная пластичность. Было продемонстрировано, что он является вычислительно мощным и гибким для неконтролируемого обучения последовательностям и образцам, обеспечивая очевидный приблизительный байесовский вывод и поведение, подобное выборке [15–17].Кроме того, он использовался для воспроизведения синаптического распределения веса и динамики роста, наблюдаемых в коре головного мозга [18].

В этой статье мы представляем LIF-SORN, модель сети, основанную на неплотной интеграции и включении SORN, которая включает пространственную топологию с зависящей от расстояния вероятностью соединения, в дополнение к более биологически правдоподобным вариантам и расширениям сети. механизмы пластичности СОРН. LIF-SORN моделирует периодически связанную сеть возбуждающих и тормозных нейронов в L5 неокортекса или его срезе.Эта новая модель является первой, воспроизводящей многочисленные элементы синаптических явлений, рассмотренных в [10, 19] и [18], в сочетании с явлением неслучайной связности графов, наблюдаемым в [6]. Одновременное воспроизведение всех этих элементов с минимальным набором механизмов и ограничений пластичности представляет собой беспрецедентный успех в объяснении отмеченных особенностей кортикального микроконнектома с точки зрения самоорганизации.

Материалы и методы

Методы моделирования

Мы случайным образом заполняем сетку размером 1000 × 1000 мкм м 400 нейронами LIF с внутренним шумом мембраны Орнштейна-Уленбека в качестве возбуждающего пула и аналогичной (хотя и быстрее преломляющейся) популяцией из 80 шумных нейронов LIF в качестве тормозного пула.Все синапсы вставляются в сеть с гауссовым зависимым от расстояния профилем вероятности соединения с полушириной 200 мкм м. Этот конкретный профиль выбран в качестве середины между результатами [6], в которой отсутствует зависимость от расстояния вплоть до масштаба 80–100 мкм м, и результатами [5], в которой обнаруживается экспоненциальная зависимость от расстояния при масштаб 200–300 мкм м. Повторяющиеся возбуждающие синапсы не заселяются, так как они будут расти «естественным образом» со структурной пластичностью.Возбуждающие к тормозящим и тормозящие к возбуждающим синапсы заселяются до фракции связи 0,1, а тормозящие рекуррентные синапсы — до доли связи 0,5, приблизительно в соответствии с экспериментальными данными L5 [20]. Связи от возбуждающего к тормозящему, от тормозящего к возбуждающему и от ингибирующего к тормозящему придают фиксированные эффективность и связи. Повторяющиеся возбуждающие связи начинаются пустыми и должны расти в ходе моделирования. Соответствующие параметры приведены в таблицах 1 и 2.

Мы используем симулятор нейронной сети Брайана [21]. Модель нейрона представляет собой негерметичный нейрон с интеграцией и запуском (LIF), поведение которого определяется:
(1)
где V — мембранный потенциал, E _l — мембранный потенциал покоя, τ — постоянная времени мембраны, σ — стандартное отклонение собственного мембранного шума, а ξ — процесс Орнштейна-Уленбека, который вызывает шум.В нашей модели дисперсия шума составляет 5 мВ. Когда В достигает порогового значения В _T , нейрон дает импульс, и мембранный потенциал В возвращается к В _{сбросить} (который может быть ниже E _л. для обеспечения эффективной огнеупорности). Используемые параметры приведены в таблице 3.

Используется простая модель передающего синапса, соединяющая нейрон i с нейроном j .Когда нейрон i спайк, синаптический вес добавляется к мембранному потенциалу V нейрона j после задержки проводимости для типа соединения (как в таблице 2). Чтобы улучшить стабильность сетевой активности, этот синаптический вес модулируется механизмом краткосрочной пластичности (STP) [22], реализующим быструю синаптическую депрессию в сочетании с несколько более медленной фасилитацией. Механизм STP состоит из системы с двумя переменными:
(2)
При каждом пресинаптическом спайке переменные обновляются в соответствии со следующими правилами:
(3)
Затем синаптический вес модулируется как.Мы выбираем U = 0,04, τ _d = 500 мс и τ _f = 2000 мс в качестве соответствующих временных шкал депрессии и облегчения, соответствующих приблизительным экспериментально наблюдаемым значениям [22, 23] . Наличие протокола STP добавляет значительную степень стабильности сетевой активности и обеспечивает более надежный диапазон параметров для других механизмов, уменьшая необходимость в настройке параметров.

Как и в исходном бинарном СОРН, мы включаем несколько механизмов пластичности.Первый — это экспоненциальная пластичность, зависящая от времени спайков (STDP), которая выполняется в биологически реалистичном масштабе времени [24–29]. Это определяет изменение веса синапса, вызванное парой пре- и постсинаптических всплесков, как в уравнениях 4, 5 и 6:
(4) (5) (6)
Здесь i и j индексируют синапс через его пре- и постсинаптические нейроны соответственно, f индексирует пресинаптические спайки, а n индексирует постсинаптические спайки. A ₊ и A _— — максимальные амплитуды изменения веса, а τ ₊ и τ _— — постоянные времени окон распада.Значения установлены для приблизительных экспериментальных данных; в частности, были выбраны круглые числа, которые примерно аппроксимируют данные в [24] и [25], при τ ₊ = 15 мс, A ₊ = 15 мВ, τ _— = 30 мс , и A _— = 7,5 мВ. Мы используем приближение «ближайшего соседа», чтобы эффективно реализовать это онлайн, в котором используются только самые близкие пары пре- и постсинаптических спайков. Это реализовано на основе событий с использованием буфера памяти всплесков с временным шагом, равным таковому для самой симуляции (0.1 мс), а полный расчет оценивается только при пике.

В мозге несколько механизмов, по-видимому, регулируют количество синаптического возбуждения, которое получает нейрон. [30] продемонстрировали феномен синаптической нормализации при долговременной потенциации (ДП). Общая плотность постсинаптических рецепторов AMPA на микрометр дендрита остается примерно постоянной, но плотность отдельных синапсов увеличивается (для некоторых), в то время как общее количество синапсов на микрометр дендрита уменьшается.Это предполагает, что синаптическая эффективность в основном перераспределяется по дендритному дереву в течение типичного временного хода эксперимента LTP, но сумма этих эффективностей (примерно соответствующая сумме площадей активной зоны) остается примерно постоянной. Другим феноменом, регулирующим синаптический драйв, который получает нейрон, является гомеостатическое синаптическое масштабирование [31], которое, как считается, регулирует синаптическую эффективность мультипликативным образом в очень медленной временной шкале (порядка дней), чтобы поддерживать определенный желаемый уровень. нейронной активности.Для простоты мы используем здесь только мультипликативную форму нормализации, которая приводит сумму синаптических эффективностей к желаемому целевому значению в быстрой шкале времени:

(7)
Здесь W _i — вектор входящих весов для любого нейрона i , W _ij — веса отдельных синапсов, W _всего — целевой общий вход для каждого нейрона, а η _SN — это переменная скорости, которая вместе с размером временного шага определяет временную шкалу нормализации. W _всего вычисляется перед запуском моделирования для каждого из четырех типов синапсов (от E до E, от E до I, от I до E и от I до I) путем умножения доли соединения для этого типа соединения на средняя сила синапсов и размер популяции входящих нейронов. Шкала времени, которую мы используем, составляет порядка секунд и, следовательно, ускорена биологией; соответствует применению процесса один раз в секунду и η _SN = 1,0. Мы также протестировали его, применяя нормализацию на каждом временном шаге моделирования, и с меньшими значениями для η _SN , которые, за исключением очень малых значений η _SN , не оказывают значительного влияния ни на один из наших наблюдаемые.Ускоренная шкала времени в достаточной степени отделена от шкалы STDP, которая работает с точностью до десятков миллисекунд, чтобы избежать нежелательных взаимодействий при одновременном сокращении необходимого времени моделирования.

Возбудимость нейронов в головном мозге регулируется различными механизмами и в разных временных масштабах. В очень коротких миллисекундах рефрактерный механизм нейрона предотвращает его чрезмерную активность в ответ на очень сильные входные сигналы [32]. Это неотъемлемо включено в используемую нами модель нейрона.В несколько более медленном временном масштабе адаптация скорости спайков снижает многие типы ответов нейронов на непрерывный драйв [33]. Учитывая, что в нашей модели отсутствует сильный внешний привод, мы этим пренебрегаем. В очень медленных временных масштабах, от часов до дней, внутренние механизмы пластичности изменяют возбудимость нейрона посредством модификации потенциалозависимых ионных каналов, которые могут гомеостатически изменять его порог срабатывания и наклон кривой частота-ток. Дополнительная регуляция нейрональной активности наблюдалась во многих временных масштабах [34, 35].Чтобы уловить суть таких механизмов простым способом, мы применяем простой регулирующий механизм для порога срабатывания, который в сочетании с ранее обсужденным механизмом STP феноменологически улавливает большинство этих адаптивных поведений в коротких и средних временных масштабах. Хотя относительно стабильная сетевая активность может быть достигнута без этого механизма, он требует ручной настройки пороговых значений, зависящих от других сетевых параметров, чего мы хотим избежать. Механизм реализован на дискретных временных шагах следующим образом:
(8) (9)
Здесь V _T — порог для отдельного нейрона, η _IP — скорость обучения, ч _IP — целевое количество всплесков за интервал обновления, а N _спайки — это количество раз, когда нейрон испытывал скачки с момента последнего выполнения шага гомеостатической пластичности.Стрелка вправо указывает, что счетчик сбрасывается после каждой оценки окна. Эта операция выполняется в биологически ускоренном масштабе. Желаемая целевая скорость выбрана равной 3,0 Гц, поэтому ч _IP = 3,0 Гц × 0,1 мс = 0,0003 и η _IP установлено на 0,1 мВ. В нашей реализации операция выполняется на каждом временном шаге моделирования (0,1 мс), поэтому N _пиков фактически становится двоичной переменной, и уравнение 9 становится неактуальным.В этом случае действие механизма состоит в том, что каждый всплеск на небольшую величину увеличивает порог, а отсутствие всплеска снижает его на небольшую величину. Как и процесс SN, ускоренная (относительно биологии) шкала времени достаточно отделена от шкалы времени STDP, чтобы избежать нежелательных взаимодействий при одновременном сокращении необходимого времени моделирования.

Мы реализуем структурную пластичность повторяющихся возбуждающих синапсов посредством одновременного сокращения синапсов и роста синапсов.Сокращение синапсов реализуется прямым способом, при котором синапсы, сила которых была снижена ниже почти нулевого порога (0,000001 мВ) другими механизмами пластичности, устраняются. В то же время новые синапсы добавляются стохастически с силой 0,0001 мВ, в соответствии с зависящими от расстояния вероятностями соединения для каждой пары, с регулярной скоростью. Это делается в ускоренном масштабе времени путем добавления случайного числа синапсов (взятых из соответствующим образом масштабированного нормального распределения с целочисленным округлением) один раз в секунду.Средняя скорость роста настраивается вручную, чтобы привести к желаемой фракции возбуждающего соединения. В этом случае средняя скорость роста составляет 920 синапсов в секунду (со стандартным отклонением), а доля целевого соединения составляет 0,1 [6, 20]. Синапсы добавляются в соответствии с предварительно рассчитанными вероятностями соединения, определяемыми гауссовским профилем связности, описанным в первом абзаце этого раздела. Как и в случае с двумя предыдущими механизмами пластичности, ускорение шкалы времени из биологии оправдано принципом разделения шкал времени.В определенных местах результатов и дополнительных материалов результаты моделирования сравниваются с результатами чисто топологической сети. Это создается просто путем выполнения пакетной операции структурного роста, как описано, один раз, но вместо этого добавляется количество соединений, равное общему количеству соединений в целевой доле соединений.

Результаты

Рост сети и изобилие двунаправленных подключений

По мере того, как полностью смоделированная сеть работает, новые повторяющиеся возбуждающие синапсы могут расти и, если их сила приближается к нулю, сокращаться.Сеть сначала входит в фазу роста, которая длится 100–200 секунд времени моделирования, а затем в стабильную фазу, в которой скорость роста уравновешивает скорость сокращения. Сети позволяют работать в течение 500 секунд, после чего исследуются состояние возбуждающего соединения и динамика изменений соединения в течение последней эпохи.

Сначала мы исследуем, наряду с плавным ростом сети, преобладание двунаправленных соединений по сравнению со случайностью, феномен, отмеченный как значительно превышающий вероятность в [4] и [6], как показано на рис.Мы наблюдаем для общей доли подключений надежное значение 0,1, как выбрано. Мы наблюдаем стабильное значение фазы 0,018 для двунаправленного соединения, что в 1,83 раза выше вероятности. Наш контроль на случайность — это ожидаемое количество двунаправленных соединений для графа Эрдеша-Реньи, содержащего такое же количество узлов и ребер, что и моделируемая сеть. Для сравнения, в [6] наблюдается значение примерно 4-кратного шанса. Отметим, что в остальном эквивалентная нетопологическая сеть, в которой вероятность соединения между нейронами однородна, а не зависит от расстояния, дает небольшое недопредставление двунаправленных соединений, усиливая хорошо известное ожидание того, что классический STDP при отсутствии других факторов, способствует однонаправленной связи.

Рис. 1. Изменение доли общего и двунаправленного соединения во времени моделирования.

Изменение доли подключений для пластиковых сетей с топологией и без нее, а также плоские значения только для топологии. (вверху) Рост и последующая стабилизация доли подключения сети со временем моделирования. (посередине) Рост доли двунаправленной связи. (внизу) Эволюция доли двунаправленной связи во времени в зависимости от уровня шанса (т.е. по сравнению со значением для графа Эрдеша-Реньи с тем же количеством узлов и ребер). Данные усреднены по десяти испытаниям; стандартное отклонение заштриховано.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004759.g001

Что касается роста сети и стабилизации ее активности, отметим еще один момент. На рис. 2 мы наблюдаем, что распределение межспайковых интервалов (ISI) и их коэффициенты вариации (CV) следуют свойствам примерно пуассоновского спайка с эффективным рефрактерным периодом, как это наблюдается в корковых цепях.Другими словами, распределение ISI следует экспоненциальному спаду с искажением, вызванным рефрактерным периодом, на нижнем конце, и что CV ISI имеют тенденцию быть близкими к единице.

Рис. 2. Распределение ISI и их CV во время стабилизации сетевой активности.

(вверху) Объединенное (по всем нейронам) распределение ISI с экспоненциальным соответствием, предполагающее пуассоновское поведение с рефрактерным периодом. Было проверено, что распределение отдельных нейронов схоже. (внизу) Распределение CV ISI, предполагающее поведение, подобное Пуассону.Данные единичного испытания.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004759.g002

Мы хотели бы вкратце рассмотреть, как модель, использующая классический протокол STDP, который, как известно, способствует формированию однонаправленных соединений, может по-прежнему создавать такое количество двунаправленные соединения. В этой модели наличие топологии кластеризации сильно стимулирует первоначальную избыточную представленность двунаправленных соединений (а также, вероятно, засевает эффекты кластеризации более высокого порядка, которые затем выбираются и настраиваются с помощью механизмов пластичности и будут изучены позже).Простой математический аргумент будет служить для демонстрации этого (и, фактически, что любая неоднородность вероятности однонаправленного соединения приведет к чрезмерному представлению двунаправленных соединений). Рассмотрим одиночный нейрон в центре двумерного листа (это также распространяется на объемы), который заполнен дополнительными нейронами с одинаковой плотностью. Предположим, что центральный нейрон сформировал зависимые от расстояния, но в остальном случайные связи с другими нейронами следующим образом: существует локальная окрестность, содержащая часть f всех нейронов в выбранной области, которые были связаны с высокой вероятностью p _h , а оставшаяся область содержит фракцию 1 — f всех нейронов, которые соединяются с меньшей вероятностью p _l .Затем мы можем рассматривать вероятность соединения как случайную величину P , которая принимает значение p _h с вероятностью f и p _l с вероятностью 1 — f (это обобщает а также к дополнительным окрестностям, и, поскольку число окрестностей стремится к бесконечности, к непрерывной плотности вероятности соединения). Средняя общая вероятность соединения нейрона тогда определяется как E [ P ] = p _h f + p _l (1 — f ).Теперь мы хотим рассмотреть среднюю вероятность обнаружения двунаправленного соединения. Мы предполагаем, что все нейроны имеют одинаковую вероятность соединения, зависящую от расстояния, и, следовательно, вероятность того, что нейрон в пределах локальной окрестности сформировал соединение с центральным нейроном, такая же p _h , с которой центральный нейрон скорее всего, образует связь с нейроном в локальном районе. Таким образом, вероятность двунаправленного соединения в локальной окрестности равна, и по тем же соображениям вероятность образования двунаправленной связи с нейроном за пределами локальной окрестности равна.Тогда средняя общая вероятность двунаправленного соединения нейрона определяется выражением. Поскольку операция возведения в квадрат является выпуклой, применяется неравенство Дженсена, утверждающее, что для любой выпуклой функции g ( P ) случайной величины P , g ( E [ P ]) ≤ E [ г ( P )]. Отсюда следует, что при г ( P ) = P ² , E [ P ² ] ≥ E [ P ] ² .Таким образом, двунаправленные соединения могут возникать чаще, чем можно было бы ожидать, исходя из средней вероятности однонаправленных соединений. Равенство имеет место тогда и только тогда, когда P постоянно. Отсюда следует, что любая неоднородность вероятности однонаправленного соединения приведет к чрезмерному представлению двунаправленных соединений. В случае нашей модели неоднородность — это зависящая от расстояния вероятность соединения, хотя может иметь место любое количество других факторов.

Для того, чтобы приведенный выше аргумент применим к структурно динамической модели, такой как наша, все, что должно быть верным, — это то, что двунаправленные соединения добавляются с достаточно высокой скоростью по сравнению со скоростью их удаления из-за STDP и сокращения.Большое количество двунаправленных соединений в чисто топологической сети, низкие значения для чисто пластической сети и промежуточное количество двунаправленных соединений для полной сетевой модели на рис.1 служат для демонстрации конкуренции между зависимой от расстояния структурной пластичностью, которая имеет тенденцию к увеличению двунаправленной связи, а также STDP и сокращение, которые имеют тенденцию уменьшать двунаправленную связь.

Марковская модель двунаправленного сверхпредставления

Более того, это соревнование можно уловить и описать с помощью простой марковской модели, в которой каждая пара двунаправленных соединений развивается независимо от всех остальных.Модель рассматривает пару возбуждающих нейронов и имеет три состояния { U , S , D }, представляющих, что пара нейронов либо несвязанных , односвязных , либо двусвязных , соответственно. Мы определяем вероятности перехода, обозначающие вероятность перехода из одного состояния в другое в течение фиксированного интервала времени. Например, p _US — это вероятность перехода из неподключенного состояния U в односвязное состояние S .Матрица перехода — это матрица, образованная всеми вероятностями перехода, и она определяется как:

с учетом предположения, что переходы из неподключенного состояния U в двусвязное состояние D и наоборот достаточно маловероятны, чтобы считаться незначительными. Поскольку сумма элементов в каждой строке T должна быть равна единице, T можно переписать как:

который зависит от четырех параметров p _US , p _SU , p _SD и p _DS .Если все они больше нуля, то цепь Маркова является регулярной, и мы можем найти ее стационарное распределение, найдя левый собственный вектор T :

с u + s + d = 1. Полученная система линейных уравнений может быть записана как:

где мы определили α = p _US / p _SU и β = p _SD / p _{DS.Таким образом, поведение системы зависит только от двух отношений вероятностей перехода α и β . Мы можем выразить u как функцию от α и β , чтобы прийти к окончательному решению:}

Теперь мы можем рассмотреть условия, при которых модель приводит к чрезмерному представлению двунаправленных связей. Общая вероятность соединения в модели Маркова равна p = s /2 + d . Для случайного графа мы ожидаем:

Мы считаем, что чрезмерное количество двунаправленных соединений сравнивается со случайным графом.Следовательно, используя ранее определенные коэффициенты перехода и немного алгебры, мы приходим к следующему выражению для избыточного представления A :

Затем мы можем эмпирически проверить эту марковскую модель с нашей симуляцией. Подсчитывая и усредняя соединения и переходы за последние 100 секунд стандартного 500-секундного прогона нашей модели, мы получаем α = 0,194 и β = 0,105. Это приводит к тому, что модель Маркова предсказывает перепредставление A = 0.180, что, по сути, также является измеренным значением для среднего перепредставления за наблюдаемый период времени.

Статистика и колебания синаптической эффективности

Во время фазы роста моделирования мы отмечаем воспроизведение некоторых результатов [19], в частности, что во время роста сети существует тенденция к уменьшению больших синаптических весов с большей вероятностью, чем меньших синаптических весов, как показано на Рис 3.

Рис. 3. Динамика синаптических изменений при росте сети.

Динамика синаптических изменений в эпохи роста сети, до стабилизации. Изменения происходят за целую эпоху. «Группирование» в самые ранние эпохи — это артефакт нормализации при небольшом количестве синапсов. Данные единичного испытания.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004759.g003

По достижении стабильной фазы мы наблюдаем распределение синаптических весов с помощью гистограммы, как было ранее указано на рис. 4. Это качественно согласуется с форма с тяжелым хвостом, логнормальная форма, обычно наблюдаемая в экспериментальных данных [6–10].Было предложено несколько теоретических объяснений этого распределения, включая автомасштабирующуюся динамику «богатый — богатый» [18] и слияние аддитивных и мультипликативных процессов [36, 37], оба из которых согласуются с нашей моделью. Отметим, что топология сети, по-видимому, оказывает минимальное влияние на этот результат, как и следовало ожидать из результатов [18].

Рис. 4. Логарифмическое распределение синаптических весов.

Распределение десятичного логарифма синаптических весов для пластиковых сетей с топологией и без нее.Данные усреднены по десяти испытаниям; планки погрешностей — стандартное отклонение.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004759.g004

Далее мы наблюдаем динамику синаптических изменений в стабильной фазе сети. Мы следуем формату, используемому в [10], сравнивая начальный синаптический вес в течение тестовой эпохи как с абсолютными, так и с относительными изменениями синаптического веса, и демонстрируем на рис. 5, что сильные синаптические веса демонстрируют относительно меньшие колебания во времени, как экспериментально наблюдалось [10]. .Кроме того, это служит подкреплению более раннего успеха [18] в моделировании такой синаптической динамики как результата самоорганизации и демонстрирует, что такие результаты переносятся в более реалистичную с биологической точки зрения модель.

Рис. 5. Изменение синаптического веса в зависимости от начального синаптического веса.

На приведенных выше графиках показано распределение изменения синаптического веса как функции начального синаптического веса в течение 10-секундного периода моделирования. Графики слева относятся к моделируемой сети в электрофизиологических единицах.Графики справа взяты из эксперимента [10] и представлены в единицах объема, оцененных по данным флуоресценции. Графики вверху показывают абсолютное изменение синаптического веса / размера. Графики внизу показывают относительное изменение синаптического веса / размера. Данные единичного испытания.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004759.g005

Мы также исследуем распределение времени жизни синапсов (см. рис. 6). Было предсказано, что время жизни флуктуирующих синапсов может подчиняться степенному закону распределения [18]; наша модель также делает это предсказание.Недавние экспериментальные данные подтверждают это предсказание [38]. Мы расширяем предыдущие прогнозы двумя интересными наблюдениями. В нынешнем виде наша модель дает наклон примерно 5/3 в стабильной фазе (для сравнения, экспериментально наблюдаемый наклон составляет примерно 1,38). Это немного уменьшается в фазе роста. Во-вторых, мы также заметили, что наклон можно изменить, регулируя баланс потенцирования и депрессии в правиле STDP, варьируя значения от 1 до более 2, в зависимости от выбранных параметров.Например, удвоение амплитуды члена депрессии в правиле STDP приводит к наклону примерно 5/2, а уменьшение вдвое приводит к наклону примерно 5/4. Оглядываясь назад, это интуитивное явление. Преобладание потенцирования приведет к тому, что синапсы будут подавляться до значения ниже порога отсечения реже, тем самым уменьшая наклон степенного закона. Точно так же в сценарии с преобладанием депрессии синапсы будут чаще опускаться ниже порога отсечения, что приводит к более высокой крутизне степенного закона.Возвращаясь к небольшому уменьшению наклона во время фазы роста, это имеет смысл, поскольку для продолжения роста сети необходимо снижение эффективной скорости обрезки. Мы полагаем, что с более обширным исследованием влияния других параметров модели на степенной закон, наклон этого распределения может быть использован как значимая мера баланса потенцирования-депрессии в повторяющейся корковой сети.

Рис. 6. Распределение времени жизни синапсов.

На приведенном выше графике показано распределение времени жизни синапсов во время стабильной фазы.Уклон примерно 5/3. Эквивалентный наклон в фазе роста немного меньше. Здесь мы определяем записи в фазе роста как имеющие время окончания синапсов менее 150 секунд, а записи в стабильной фазе как имеющие время начала синапсов более 350 секунд. Наклоны аппроксимируются с помощью линейной регрессии до точек данных до спада. Данные единичного испытания.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004759.g006

Свойства мотива

Затем мы исследуем преобладание триадных мотивов в графике моделируемой сети.Чрезмерная представленность определенных мотивов отмечена в [6]. Мы использовали сценарий, написанный для модуля NetworkX Python [39, 40], чтобы получить количество мотивов для графа моделируемой сети. Поскольку чрезмерное представительство двунаправленных соединений тривиально приведет к чрезмерному представлению мотивов графов, содержащих двунаправленные ребра, в этом случае контроль вероятности представляет собой модифицированный граф Эрдеша-Реньи с тем же числом узлов, тем же числом однонаправленных ребер и тем же количество двунаправленных ребер как граф моделируемой сети, причем однонаправленные и двунаправленные ребра заполняются независимо.Аналогичное управление используется в [6]. Мы наблюдаем подобный паттерн «замкнутой петли» триадных мотивов, чрезмерно представленный на рис. 7, что экспериментально наблюдалось в [6]. Отметим, что результаты для нетопологической пластической сети с классическим STDP, в отсутствие дополнительных факторов, относительно говоря, не сильно выбирают для какого-либо конкретного семейства мотивов. Мы также отмечаем, что, хотя зависимая от расстояния топология действительно выбирает для наблюдаемого семейства мотивов, она не делает этого на экспериментально наблюдаемом уровне.Только комбинация топологии и пластичности сильно отобрана для желаемого семейства мотивов, одновременно производя все другие отмеченные эффекты. Примерные экспериментальные данные для сравнения были извлечены из [6] с помощью GraphClick [41].

Рис. 7. Триадный мотив считается кратным случайности с поправкой на двунаправленную избыточную репрезентативность.

Триадический мотив считается (в том же порядке, что и [6]) для моделируемой сети как значение, кратное случайному. Подсчеты были скорректированы из-за наблюдаемого чрезмерного представительства двунаправленных соединений.Результаты показаны для полной сети, чисто топологической конструкции, эквивалентной сети без топологии и приблизительных экспериментальных данных. Для сети без топологии количество мотивов 16 выходит за пределы диапазона из-за чрезвычайно низкого ожидаемого количества после корректировок двунаправленности. Данные усреднены по десяти испытаниям; планки погрешностей — стандартное отклонение. Горизонтальная ось немного сдвинута для улучшения читаемости.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004759.g007

Обсуждение

Проблема того, как возникает неслучайная микросвязность коры головного мозга, является нетривиальной и имеет важные последствия для понимания как познания, так и развития. В этой статье мы пытаемся пролить свет на эту проблему, представив правдоподобную модель, с помощью которой такая неслучайная взаимосвязь возникает как самоорганизованный результат взаимодействия множественных механизмов пластичности в условиях физиологических ограничений. Некоторые модели пытаются описать элементы графической структуры микроконнектома в чисто физиологических и топологических терминах [42].Однако в таких моделях обязательно отсутствует активная сеть, и поэтому они не могут одновременно учитывать синаптическую динамику, как это делает наша модель. Наша модель, конечно, простая, но степень, в которой она учитывает наблюдаемые неслучайные особенности типичной кортикальной микросхемы без подробных структурных особенностей, метаболических факторов или структурированных входных данных, определяющих пластичность определенным образом, весьма высока. наводит на размышления с точки зрения того, что необходимо как минимум для стимулирования развития и поддержания сложной микроструктуры мозга.

Как упоминалось во введении, предполагается, что небольшая основа сильных синапсов может формировать основу стабильной долговременной памяти. Тот факт, что в нашей модели сильные веса остаются стабильными при наличии постоянной пластичности и несмотря на значительные колебания меньших весов (который был смоделирован как стохастический процесс Кестена [37]), и естественность, с которой такая динамика возникает из взаимодействие известных механизмов пластичности одновременно наводит на размышления и поддерживает эту теорию.В связи с этим следует отметить, что распределение синаптических эффективностей с тяжелыми хвостами (часто описываемое как логнормальное или логнормальное) является экспериментально наблюдаемым феноменом, по-видимому, соответствующим этому повествованию [6–10]. Теоретическое объяснение, связывающее логарифмически нормальные скорости активации с логнормальным распределением синаптической эффективности, было одним из первых предложенных [43]. Однако дальнейшие исследования показали, что такое распределение частоты активации не является необходимым для создания распределения синаптических эффективностей с тяжелыми хвостами, используя либо самомасштабирующуюся динамику «богатый-становится-богатей» [18], либо комбинацию аддитивной и мультипликативной динамики [18]. 36, 37].

Еще одна отмеченная неслучайная особенность кортикальных записей, которая была пропущена в этой модели, — это наблюдаемое логнормальное распределение скоростей возбуждения коры (упоминалось в предыдущем абзаце). Наш внутренний механизм пластичности обязательно отрицает эту особенность, которая может быть самоорганизованной с помощью механизмов, не включенных в нашу модель, таких как диффузный гомеостаз [44, 45]. Для максимальной простоты для всех нейронов выбрана единая скорость стрельбы по цели. Дополнительное тестирование, при котором скорость стрельбы по цели выводится из логарифмически нормального распределения, оказывает минимальное качественное влияние на наблюдаемые характеристики (за исключением, что тривиально, распределения ISI, см. S1 Рис.).Другая проблема заключается в том, что в настоящее время точную статистику микроконнектома трудно различить — хотя сильные выводы можно сделать в правильном направлении — из-за присущих смещений выборки в парных реконструкциях с зажимом-фиксатором ограниченного размера [46]. Мы надеемся и верим, что достижения в области флуоресцентной визуализации, автоматизированной реконструкции с помощью электронной микроскопии [47, 48] и массивных записей с множеством единиц измерения помогут уменьшить эти искажения. Можно представить, что дополнительные смещения могут быть вызваны относительно небольшим размером модели из 400 возбуждающих нейронов, когда реалистичная корковая плотность может привести к тысячам нейронов в таком эквивалентном объеме.Мы протестировали сеть на гораздо больших размерах, до 2000 нейронов, и не обнаружили заметных качественных изменений в наших наблюдаемых результатах (S2 Рис; все остальные функции также остались прежними), поэтому мы сохранили относительно небольшой размер сети, чтобы увеличить вычислительную простоту. . Следует отметить, что за исключением этой проверки, все дополнительные проверки, тесты и дополнительные анализы проводились со стандартным размером нейронной сети 400 + 80.

Мы описали формирование избыточного представления двунаправленных связей в терминах конкуренции между структурным ростом и структурным сокращением при наличии топологической неоднородности.Другие возможности для увеличения распространенности двунаправленных соединений включают окно STDP с интегралом больше нуля (т. Е. Смещенное в сторону потенцирования) или окно, в котором асимметрии точно настроены так, что при заданной скорости срабатывания целевой гомеостатической цели соединения включены. в целом, вероятность усиления потенцирования выше (создание полностью симметричного окна STDP имеет в нашей модели лишь минимальный эффект). Кроме того, более сложные модели STDP [50, 51], как известно, приводят к чрезмерному представлению двунаправленных соединений в высокочастотных режимах срабатывания.

Еще одно вычислительное исследование воспроизвело схожие представления мотивов, однако эта модель была значительно более сложной и требовала специфических структурированных входных данных [49]. Некоторые могут рассматривать тот факт, что в этой модели основной причиной чрезмерного количества двунаправленных соединений является топология, как недостаток. Мы не рассматриваем это как проблему; в конце концов, топология существует в коре головного мозга, и остальные результаты исследования предполагают, что это важный фактор в самоорганизации корковых цепей.Существуют ранее упомянутые механизмы, использующие неклассический STDP, такие как так называемые правила триплета и напряжения [50, 51], которые в присутствии высокочастотной активности способны создавать и поддерживать двунаправленные соединения. Внедрение таких механизмов в подобную модель было бы долгожданным и интересным будущим исследованием и потенциально могло бы привести к еще более сильной и более точной избирательности мотивов. Чтобы дополнительно объяснить важность различных механизмов, которые мы ввели в самоорганизацию, мы включили краткий анализ поведения сети в отсутствие отдельных механизмов (см. Таблицу 4 ниже и S3 и S4 рис.).По сути, удаление топологии оставляет синаптическую динамику в основном неизменной, но значительно изменяет структуру связности. Удаление структурной пластичности тривиально приводит к неспособности сети сформироваться или, в случае удаления только обрезки, к дивергентному росту сети. Точно так же удаление STDP приводит к дивергентному росту сети, потому что LTD необходим для запуска сокращения. Удаление STP приводит к «эпилептическому» поведению, что приводит к динамическим и структурным нарушениям. Удаление SN приводит к тому, что небольшое подмножество синапсов испытывает безудержный рост, а другие сжимаются почти до нуля и обрезаются.Наконец, удаление IP приводит к небольшим изменениям структурных свойств, но требует точной настройки пороговых значений для работы в этом режиме. Отсутствие настройки пороговых значений в этом случае приводит либо к молчанию, либо к «эпилептическим» сетям.

Кроме того, с целью понимания взаимосвязи между корреляцией активности, синаптическими весами и межсоматическим разделением, анализ ранговой корреляции Спирмена был выполнен на таких данных из примера испытания (результаты в таблице S1).Таким образом, между спайковой корреляцией и синаптическим весом была обнаружена сильная и очень значимая положительная корреляция. Однако была обнаружена только слабая (отрицательная) корреляция между спайковой корреляцией и межсоматическим разделением, и не было обнаружено значительной корреляции между межсоматическим разделением и синаптическим весом.

В заключение, часто модели кортикальных микросхем описываются как случайные графы, такие как классическая случайная сбалансированная сеть [52].Однако эксперименты показали, что структура кортикальных микросхем существенно не случайна [5, 6], предполагая, что случайных сетей может быть недостаточно для моделирования развития и активности коры. Не обладая структурной пластичностью или топологией, такие сбалансированные сети на основе случайных графов неспособны давать результаты, которые мы наблюдали. Предоставив механизм, с помощью которого можно генерировать неслучайную структуру, подобную коре, было бы полезно определить, обеспечивает ли указанная структура какое-либо значительное вычислительное или метаболическое преимущество по сравнению со случайным графом.Точно так же ограничения в возможностях онлайн-пластичности значительно затрудняют использование таких случайных сетей и их родственников в резервуарных вычислениях [53] для неконтролируемого обучения и задач вывода (хотя недавно в этом направлении был достигнут прогресс [54]), в то время как более ранние исследования с Исходная модель SORN [11, 15] предполагает, что конкретная комбинация механизмов пластичности в нашей модели может наделить сети впечатляющими возможностями обучения и вывода. Поэтому следующим логическим шагом является изучение возможностей обучения и вывода сетей LIF-SORN и их соотнесение с нейрофизиологическими экспериментами.Наша быстро развивающаяся способность манипулировать нейронными цепями in vivo предполагает, что это интересное направление для будущих исследований. Мы уверены, что будущее моделирования корковых вычислений и связанных с ними биологических процессов лежит в объединении множественных механизмов пластичности и гомеостаза при простых наборах ограничений и предубеждений.

Вспомогательная информация

S1 Рис. Триадный мотив считается кратным шансам для логнормальных скоростей срабатывания с поправкой на двунаправленное избыточное представление.

Триадный мотив считается (в том же порядке, что и [6]) для моделируемой сети как значение, кратное случайному. Подсчеты были скорректированы из-за наблюдаемого чрезмерного представительства двунаправленных соединений. Результаты показаны для полной сети с целевыми значениями IP, взятыми из логарифмически нормального распределения (среднее значение 3,0, стандартное отклонение 1,0 Гц) вместо одного значения и приблизительных экспериментальных данных. Остальные параметры остаются такими же, за исключением масштабирования скорости роста для получения доли стабильного фазового соединения, равной 0.1. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение. Горизонтальная ось немного сдвинута для улучшения читаемости.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004759.s001

(TIF)

S2 Рис. Триадный мотив считается кратным шансом для более крупной (2000 нейронов) сети с поправкой на двунаправленное избыточное представление.

Триадный мотив считается (в том же порядке, что и [6]) для моделируемой сети как значение, кратное случайному. Подсчеты были скорректированы из-за наблюдаемого чрезмерного представительства двунаправленных соединений.Результаты показаны для полной сети из 2000 нейронов и приблизительные экспериментальные данные. Другие параметры остаются такими же, за исключением масштабирования скорости роста для получения доли стабильного фазового соединения 0,1. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение. Горизонтальная ось немного сдвинута для улучшения читаемости.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004759.s002

(TIF)

S3 Рис. Триадный мотив считается множеством шансов для сетей с удаленными механизмами пластичности с поправкой на двунаправленную избыточную репрезентативность.

Триадный мотив считается (в том же порядке, что и [6]) для моделируемой сети как значение, кратное случайному. Подсчеты были скорректированы из-за наблюдаемого чрезмерного представительства двунаправленных соединений. Результаты показаны для сети со всеми механизмами пластичности, сети без IP, сети без SN и приблизительные экспериментальные данные. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение. Горизонтальная ось немного сдвинута для улучшения читаемости. Верхний и нижний график показывают одни и те же данные с разным масштабом оси y.

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004759.s003

(TIF)

S4 Рис. Логарифмическое распределение синаптических весов для сетей с удаленными механизмами пластичности.

Распределение десятичного логарифма синаптических весов для всех механизмов пластичности сети (десять испытаний), одной сети без IP и одной сети без SN. Планки погрешностей представляют собой стандартное отклонение. Верхний и нижний график показывают одни и те же данные с разным масштабом оси y.

https: // doi.org / 10.1371 / journal.pcbi.1004759.s004

(TIF)

S1 Таблица. Ранговая корреляция Спирмена и соответствующее значение P между межсоматическим разделением, синаптическим весом и парной корреляцией спайков.

Репрезентативные данные примера единичного испытания. Корреляция спайков была взята из 50-секундной активности с интервалом 50 мс [55].

https://doi.org/10.1371/journal.pcbi.1004759.s005

(PDF)

Благодарности

Мы хотели бы поблагодарить авторов «Принципов долговременной динамики дендритных шипов» за предоставленные данные.Мы также хотели бы поблагодарить Кристофа Хартманна и Пэншэн Чжэн за их ценные консультации.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: DM JT. Проведены опыты: DM. Проанализированы данные: DM. Предоставленные реагенты / материалы / инструменты анализа: DM. Написал статью: DM JT. Выполнял программирование, анализ и написание, а также способствовал концептуализации: DM. Предоставил значительный опыт и консультации, предоставил первоначальное редактирование и способствовал концептуализации: JT.

Список литературы

1. 1.

   Гилсон М., Фукаи Т. (2011) Стабильность по сравнению со специализацией нейронов для STDP: распределение веса с длинным хвостом решает дилемму. PloS one 6: e25339. pmid: 22003389

2. 2.

   Груцендлер Дж, Кастури Н., Ган В. (2002) Долгосрочная стабильность дендритного позвоночника во взрослой коре головного мозга. Природа 420. pmid: 124

4. 3.

   Trachtenberg JT, Chen BE, Knott GW, Feng G, Sanes JR и др. (2002) Долгосрочная визуализация in vivo зависимой от опыта синаптической пластичности в коре головного мозга взрослых.Природа 420: 788–94. pmid: 124

5. 4.

   Markram H (1997) Сеть пирамидных нейронов слоя 5 с пучками. Кора головного мозга (Нью-Йорк, Нью-Йорк: 1991) 7: 523–33.

6. 5.

   Перин Р., Бергер Т.К., Маркрам Х. (2011) Принцип синаптической организации для групп корковых нейронов. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки 108: 5419–24. pmid: 21383177

7. 6.

   Song S, Sjöström PJ, Reigl M, Nelson S, Chklovskii DB (2005) В высшей степени неслучайные особенности синаптической связи в локальных корковых цепях.PLoS биология 3: e68. pmid: 15737062

8. 7.

   Harris KM, Stevens JK (1989) Дендритные шипы пирамидных клеток CA 1 в гиппокампе крысы: серийная электронная микроскопия со ссылкой на их биофизические характеристики. Журнал неврологии: официальный журнал Общества нейробиологии 9: 2982–97.

9. 8.

   Лисман Дж. Э., Харрис К. М. (1993) Квантовый анализ и синаптическая анатомия — интеграция двух взглядов на пластичность гиппокампа. Тенденции в неврологии 16: 141–7.pmid: 7682347

10. 9.

    Thomson AM, Deuchars J, West DC (1993) Большие, глубокие слои пирамидно-пирамидных одиночных аксонных ВПСП в срезах моторной коры крыс демонстрируют парную импульсную и частотно-зависимую депрессию, опосредованную пресинаптически и самооблегчение, опосредованную постсинаптически. Журнал нейрофизиологии 70: 2354–69. pmid: 8120587

11. 10.

    Ясумацу Н., Мацузаки М., Миядзаки Т., Ногучи Дж., Касаи Х. (2008) Принципы долгосрочной динамики дендритных шипов. Журнал неврологии: официальный журнал Общества неврологии 28: 13592–608.

12. 11.

    Лазар А., Пипа Г., Триеш Дж. (2009) СОРН: самоорганизующаяся рекуррентная нейронная сеть. Границы вычислительной нейробиологии 3:23 pmid: 19893759

13. 12.

    Савин С., Джоши П., Триеш Дж. (2010) Анализ независимых компонентов в нейронах с импульсами. Вычислительная биология PLoS 6: e1000757. pmid: 20421937

14. 13.

    Tetzlaff C, Kolodziejski C, Timme M, Wörgötter F (2011) Синаптическое масштабирование в сочетании со многими универсальными механизмами пластичности стабилизирует связность схем.Границы вычислительной неврологии 5: 1–15.

15. 14.

    Tetzlaff C, Kolodziejski C, Timme M, Wörgötter F (2012) Анализ синаптического масштабирования в сочетании с хеббской пластичностью в нескольких простых сетях. Границы вычислительной нейробиологии 6: 1–17.

16. 15.

    Лазар А., Пипа Г., Триеш Дж. (2011) Новые байесовские априоры в самоорганизующейся рекуррентной сети. Нейронные сети и машинное обучение: 1–8.

17. 16.
    Дуарте Р., Сериес П., Моррисон А. (2014) Самоорганизованное искусственное изучение грамматики в нейронных сетях с повышенным уровнем шума.Материалы 36-й ежегодной конференции Общества когнитивных наук: 427–432.
18. 17.

    Hartmann C, Lazar A, Triesch J (2015) Где шум? Ключевые особенности нейронной изменчивости и умозаключений возникают из самоорганизованного обучения. Вычислительная биология PLoS 11: e1004640. pmid: 26714277

19. 18.

    Zheng P, Dimitrakakis C, Triesch J (2013) Сетевая самоорганизация объясняет статистику и динамику силы синаптических связей в коре головного мозга. Вычислительная биология PLoS 9: e1002848.pmid: 23300431

20. 19.

    Минерби А., Кахана Р., Голдфельд Л., Кауфман М., Маром С. и др. (2009) Долгосрочные отношения между синаптической устойчивостью, синаптическим ремоделированием и сетевой активностью. PLoS биология 7: e1000136. pmid: 19554080

21. 20.

    Thomson AM, West DC, Wang Y, Bannister AP (2002) Синаптические связи и небольшие цепи, включающие возбуждающие и тормозящие нейроны в слоях 2–5 неокортекса взрослых крыс и кошек: тройные внутриклеточные записи и мечение биоцитином in vitro.Кора головного мозга (Нью-Йорк, Нью-Йорк: 1991) 12: 936–53.

22. 21.

    Гудман Д., Бретт Р. (2008) Брайан: симулятор для наращивания нейронных сетей в Python. Границы в нейроинформатике 2: 5. pmid: 19115011

23. 22.

    Markram H, Wang Y, Tsodyks M (1998) Дифференциальная передача сигналов через один и тот же аксон пирамидных нейронов неокортекса. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки 95: 5323–8. pmid: 9560274

24. 23.

    Цукер Р.С., Регер В.Г. (2002) Кратковременная синаптическая пластичность.Ежегодный обзор физиологии 64: 355–405. pmid: 11826273

25. 24.

    Bi GQ, Poo MM (1998) Синаптические модификации в культивируемых нейронах гиппокампа: зависимость от времени спайков, синаптической силы и типа постсинаптических клеток. Журнал неврологии: официальный журнал Общества неврологии 18: 10464–72.

26. 25.

    Froemke R, Poo Mm, Dan Y (2005) Синаптическая пластичность, зависящая от времени спайков, зависит от расположения дендритов. Природа 2033: 2032–2033.

27. 26.Герстнер В., Кемптер Р., ван Хеммен Дж. Л. и Вагнер Х (1996). Правило обучения нейронов для субмиллисекундного временного кодирования. Природа 383: 76–78.
28. 27.

    Кемптер Р., Герстнер В., ван Хеммен Дж. (1999) Хеббийское обучение и импульсные нейроны. Physical Review E 59: 4498–4514.

29. 28.

    Сонг С., Миллер К.Д., Эбботт Л.Ф. (2000) Конкурентное хеббийское обучение через синаптическую пластичность, зависящую от спайков. Природа нейробиологии 3: 919–26. pmid: 10966623

30. 29.Zhang LI, Tao HW, Holt CE, Harris WA, Poo Mm (1998) Критическое окно для сотрудничества и конкуренции между развивающимися ретинотектальными синапсами. Природа 395: 37–44. pmid: 9738497
31. 30.

    Ibata K, Sun Q, Turrigiano GG (2008) Быстрое синаптическое масштабирование, вызванное изменениями в постсинаптическом возбуждении. Нейрон 57: 819–26. pmid: 18367083

32. 31.

    Turrigiano GG, Leslie KR, Desai NS, Rutherford LC, Nelson SB (1998) Зависимое от активности масштабирование квантовой амплитуды в нейронах неокортекса.Nature 391: 892–6. pmid: 9495341

33. 32.

    Hill A (1936) Возбуждение и аккомодация в нерве. Труды Лондонского королевского общества Серия B — Биологические науки 119: 305–355.

34. 33.

    Benda J, Herz AVM (2003) Универсальная модель для адаптации частоты всплесков. Нейронные вычисления 15: 2523–64. pmid: 14577853

35. 34.

    Desai NS, Rutherford LC, Turrigiano GG (1999) Пластичность внутренней возбудимости кортикальных пирамидных нейронов.Природа нейробиологии 2: 515–20. pmid: 10448215

36. 35.

    Чжан В., Линден Д. Д. (2003) Другая сторона инграммы: обусловленные опытом изменения внутренней возбудимости нейронов. Обзоры природы Neuroscience 4: 885–900. pmid: 14595400

37. 36.

    Loewenstein Y, Kuras A, Rumpel S (2011) Мультипликативная динамика лежит в основе появления логнормального распределения размеров шипов в неокортексе in vivo. Журнал неврологии: официальный журнал Общества неврологии 31: 9481–8.

38. 37.

    Статман А., Кауфман М., Минерби А., Зив Н. Е., Бреннер Н. (2014) Динамика синаптического размера как эффективно стохастический процесс. Вычислительная биология PLoS 10: e1003846. pmid: 25275505

39. 38.

    Лёвенштейн Ю., Яновер Ю., Румпель С. (2015) Прогнозирование динамики сетевых подключений в неокортексе. Журнал неврологии 35: 12535–12544. pmid: 26354919

40. 39.
    Hagberg AA, Schult DA, Swart PJ (2008) Изучение сетевой структуры, динамики и функций с помощью NetworkX.В: Материалы 7-й конференции Python в науке (SciPy2008). Пасадена, Калифорния, США, стр. 11–15.
41. 40.
    Левенсон А., Ван Лир Д. (2011). триадная перепись. https://networkx.lanl.gov/trac/ticket/190.
42. 41.
    Программное обеспечение A (2012 г.). GraphClick. http://www.arizona-software.ch/graphclick/.
43. 42.

    Ачимович Дж, Мяки-Марттунен Т., Линне М.Л. (2015) Влияние морфологии нейронов на теоретико-графовые меры сетевой связности: анализ двухуровневой статистической модели.Границы нейроанатомии 9. pmid: 26113811

44. 43.

    Кулаков А.А., Громадка Т., Задор А.М. (2009) Коррелированная взаимосвязь и распределение скоростей возбуждения в неокортексе. Журнал неврологии 29: 3685–3694. pmid: 19321765

45. 44.

    Savin C, Triesch J, Meyer-Hermann M (2009) Эпилептогенез из-за опосредованного глией синаптического масштабирования. Журнал Королевского общества, Интерфейс / Королевское общество 6: 655–68. pmid: 18986963

46. 45.

    Суини Й., Хеллгрен Коталески Дж., Хенниг М.Х. (2015) Диффузный гомеостатический сигнал поддерживает нейронную гетерогенность и отзывчивость в корковых сетях.PLOS Computational Biology 11: e1004389. pmid: 26158556

47. 46.

    Miner DC, Triesch J (2014) Эффекты нарезки, выборки и дистанционно-зависимые эффекты влияют на сетевые показатели в смоделированных структурах кортикальных цепей. Границы нейроанатомии 8: 1–9.

48. 47.

    Чкловский Д.Б., Виталадевуни С., Шеффер Л.К. (2010) Полуавтоматическая реконструкция нейронных цепей с использованием электронной микроскопии. Текущее мнение в нейробиологии 20: 667–675. pmid: 20833533

49. 48.

    Plaza SM, Scheffer LK, Чкловский Д.Б. (2014) К масштабным реконструкциям коннектомов.Текущее мнение в нейробиологии 25: 201–210. pmid: 24598270

50. 49.

    Бурджайли М.А., Миллер П. (2011) Возбуждающая, тормозящая и структурная пластичность создают коррелированную связность в случайных сетях, обученных решать задачи с парными стимулами. Границы вычислительной неврологии 5: 1–24.

51. 50.

    Pfister JP, Gerstner W (2006) Тройки спайков в модели пластичности спайков, зависящей от времени. Журнал неврологии: официальный журнал Общества нейробиологии 26: 9673–82.

52. 51.

    Clopath C, Büsing L, Vasilaki E, Gerstner W (2010) Связность отражает кодирование: модель основанного на напряжении STDP с гомеостазом. Природа нейробиологии 13: 344–52. pmid: 20098420

53. 52.

    van Vreeswijk C, Sompolinsky H (1996) Хаос в нейронных сетях со сбалансированной возбуждающей и тормозящей активностью. Наука (Нью-Йорк, Нью-Йорк) 274: 1724–6.

54. 53.

    Лукошявичюс М., Йегер Х (2009) Подходы с использованием резервуарных вычислений для повторного обучения нейронной сети.Обзор компьютерных наук 3: 127–149.

55. 54.

    Тецлафф С., Дасгупта С., Кульвициус Т., Вёргёттер Ф. (2015) Использование ячеек Хебба для нелинейных вычислений. Научные отчеты 5: 12866. pmid: 26249242

56. 55.

    Даян П., Эбботт Л.Ф. (2001) Теоретическая неврология, том 806. Кембридж, Массачусетс: MIT Press.

Сделай сам, информация по домашней электропроводке своими руками.