Наше тело состоит из бесчисленного множества клеток. Приблизительно 100.000.000 из них являются нейронами. Что такое нейроны ? Каковы функции нейронов? Вам интересно узнать, какую задачу они выполняют и что вы можете благодаря им делать? Рассмотрим это подробнее.
Функции нейронов
Вы когда-нибудь задумывались о том, как информация проходит через наше тело? Почему, если что-то причиняет нам боль, мы сразу же неосознанно одёргиваем руку? Где и как мы распознаём эту информацию? Всё это – действия нейронов. Как мы понимаем, что это холодное, а это – горячее…а это мягкое или колючее? За получение и передачу этих сигналов по нашему телу отвечают нейроны. В этой статье мы подробно расскажем о том, что такое нейрон, из чего он состоит, какова классификация нейронов и как улучшить их формирование.
Основные понятия о функциях нейронов
Прежде, чем рассказывать о том, каковы функции нейронов, необходимо дать определение того, что такое нейрон и из чего он состоит.
Вы хотите знать, как работает ваш мозг? Каковы ваши сильные и, возможно, ослабленные когнитивные функции? Присутствуют ли симптомы, свидетельствующие о наличии какого-либо расстройства? Какие способности можно улучшить? Получите ответы на все эти вопросы менее, чем за 30-40 минут, пройдя
Нейронные связи головного мозга обуславливают сложное поведение. Нейроны — маленькие вычислительные машины, способные оказывать влияние, только объединившись в сети.
Контроль простейших элементов поведения (например, рефлексов) не требует большого количества нейронов, но даже рефлексы часто сопровождает осознание человеком срабатывания рефлекса. Сознательное же восприятие сенсорных стимулов (и все высшие функции нервной системы) зависит от огромного числа связей между нейронами.
Нейронные связи делают нас такими, какие мы есть. Их качество влияет на работу внутренних органов, на интеллектуальные способности и эмоциональную стабильность.
"Проводка"
Нейронные связи головного мозга — проводка нервной системы. Работа нервной системы основана на способности нейрона воспринимать, обрабатывать и передавать информацию другим клеткам.
Информация передается через Поведение человека и функционирование его организма полностью зависит от передачи и получения импульсов нейронами через отростки.
У нейрона два типа отростков: аксон и дендрит. Аксон у нейрона всегда один, именно по нему нейрон передает импульс другим клеткам. Получает же импульс через дендриты, которых может быть несколько.
К дендритам "подведено" множество (иногда десятки тысяч) аксонов других нейронов. Дендрит и аксон контактируют через синапс.
Нейрон и синапсы
Щель между дендритом и аксоном — синапс. Т.к. аксон "источник" импульса, дендрит "принимающий", а синаптическая щель — место взаимодействия: нейрон, от которого идет аксон, называют пресинаптическим; нейрон, от которого идет дендрит, — постсинаптическим.
Синапсы могут формироваться и между аксоном и телом нейрона, и между двумя аксонами или двумя дендритами. Многие синаптические связи образованы дендритным шипиком и аксоном. Шипики очень пластичны, обладают множеством форм, могут быстро исчезать и формироваться. Они чувствительны к химическим и физическим воздействиям (травмы, инфекционные заболевания).
В синапсах чаще всего информация передается посредством медиаторов (химических веществ). Молекулы медиатора высвобождаются на пресинаптической клетке, пересекают синаптическую щель и связываются с мембранными рецепторами постсинаптической клетки. Медиаторы могут передавать возбуждающий или тормозящий (ингибирующий) сигнал.
Нейронные связи головного мозга представляют собой соединение нейронов через синаптические связи. Синапсы — функциональная и структурная единица нервной системы. Количество синаптических связей — ключевой показатель для работы мозга.
Рецепторы
Рецепторы вспоминают каждый раз, когда говорят про наркотическую или алкогольную зависимость. Почему же человеку необходимо руководствоваться принципом умеренности?
Рецептор на постсинаптической мембране — белок, настроенный на молекулы медиатора. Когда человек искусственно (наркотиками, например) стимулирует выброс медиаторов в синаптическую щель, синапс пытается вернуть равновесие: снижает количество рецепторов или их чувствительность. Из-за этого естественные уровни концентрации медиаторов в синапсе перестают оказывать действие на нейронные структуры.
Например, курящие люди никотином изменяют восприимчивость рецепторов к ацетилхолину, происходит десенсибилизация (уменьшение чувствительности) рецепторов. Естественный уровень ацетилхолина оказывается недостаточным для рецепторов с пониженной чувствительность. Т.к. ацетилхолин задействован во многих процессах, в том числе, связанных с концентрацией внимания и ощущением комфорта, курящий не может получить полезные эффекты работы нервной системы без никотина.
Впрочем, чувствительность рецепторов постепенно восстанавливается. Хотя это может занимать долгое время, синапс приходит в норму, и человеку больше не требуются сторонние стимуляторы.
Развитие нейронных сетей
Долговременные изменения нейронных связей происходят при различных болезнях (психических и неврологических — шизофрения, аутизм, эпилепсия, болезнях Хантингтона, Альцгеймера и Паркинсона). Синаптические связи и внутренние свойства нейронов изменяются, что приводит к нарушению работы нервной системы.
За развитие синаптических связей отвечает активность нейронов. "Используй или потеряешь" — принцип, лежащий в основе мозга. Чем чаще "действуют" нейроны, тем больше между ними связей, чем реже, тем меньше связей. Когда нейрон теряет все свои связи, он погибает.
Когда средний уровень активности нейронов падает (например, вследствие травмы), нейроны строят новые контакты, с количеством синапсов растет активность нейронов. Верно и обратное: как только уровень активности становится больше привычного уровня, количество синаптических соединений уменьшается. Подобные формы гомеостаза часто встречаются в природе, например, при регуляции температуры тела и уровня сахара в крови.
М. Бутс M. Butz отметил:
Формирование новых синапсов обусловлено стремлением нейронов поддерживать заданный уровень электрической активности...
Генри Маркрам, который участвует в проекте по созданию нейронной симуляции мозга, подчеркивает перспективы развития отрасли для изучения нарушения, восстановления и развития нейронных связей. Группа исследователей уже оцифровала 31 тысячу нейронов крысы. Нейронные связи мозга крысы представлены в видео ниже.
Нейропластичность
Развитие нейронных связей в головном мозге сопряжено с созданием новых синапсов и модификацией существующих. Возможность модификаций обусловлена синаптической пластичностью — изменением "мощности" синапса в ответ на активацию рецепторов на постсинаптической клетке.
Человек может запоминать информацию и обучаться благодаря Нарушение нейронных связей головного мозга вследствие черепно-мозговых травм и нейродегенеративных заболеваний благодаря нейропластичности не становится фатальным.
Нейропластичность обусловлена необходимостью изменяться в ответ на новые условия жизни, но она может как решать проблемы человека, так и создавать их. Изменение мощности синапса, например, при курении — это тоже отражение пластичности мозга. От наркотиков и обсессивно-компульсивного расстройства так сложно избавиться именно из-за неадаптивного изменения синапсов в нейронных сетях.
На нейропластичность большое влияние оказывают нейротрофические факторы. Н. В. Гуляева подчеркивает, что различные нарушения нейронных связей происходят на фоне снижения уровней нейротрофинов. Нормализация уровня нейротрофинов приводит к восстановлению нейронных связей головного мозга.
Все эффективные лекарства, используемые для лечения болезней мозга, независимо от их структуры, если они эффективны, они тем или иным механизмом нормализуют локальные уровни нейротрофических факторов.
Оптимизация уровней нейротрофинов пока не может осуществляться путем прямой их доставки в мозг. Зато человек может опосредованно влиять на уровни нейротрофинов через физические и когнитивные нагрузки.
Физические нагрузки
Обзоры исследований показывают, что упражнения улучшают настроение и познавательные способности. Данные свидетельствуют о том, что эти эффекты обусловлены изменением уровня нейротрофического фактора (BDNF) и оздоровлением сердечно-сосудистой системы.
Высокие уровни BDNF были связаны с лучшими показателями пространственных способностей, эпизодической и Низкий уровень BDNF, особенно у пожилых людей, коррелировал с атрофией гиппокампа и нарушениями памяти, что может быть связано с когнитивными проблемами, возникающими при болезни Альцгеймера.
Изучая возможности по лечению и профилактике Альцгеймера, исследователи часто говорят о незаменимости физических упражнений для людей. Так, исследования показывают, что регулярная ходьба влияет на размер гиппокампа и улучшает память.
Физические нагрузки увеличивают скорость нейрогенеза. Появление новых нейронов — важное условие для переучивания (приобретения нового опыта и стирания старого).
Когнитивные нагрузки
Нейронные связи головного мозга развиваются, когда человек находится в обогащенной стимулами среде. Новый опыт — ключ к увеличению нейронных связей.
Новый опыт — это конфликт, когда проблема не решается теми средствами, которые уже есть у мозга. Поэтому ему приходится создавать новые связи, новые шаблоны поведения, что связано с увеличением плотности шипиков, количества дендритов и синапсов.
Обучение новым навыкам приводит к образованию новых шипиков и дестабилизации старых соединений шипиков с аксонами. Человек вырабатывает новые привычки, а старые исчезают. Некоторые исследования связывают когнитивные расстройства (СДВГ, аутизм, умственную отсталость) с отклонениями в развитии шипиков.
Шипики очень пластичны. Количество, форма и размер шипиков связаны с мотивацией, обучением и памятью.
Время, требующееся на изменения их формы и размера, измеряется буквально в часах. Но это значит также, что настолько же быстро новые соединения могут исчезать. Поэтому лучше всего отдавать предпочтение кратким, но частым когнитивным нагрузкам, чем длительным и редким.
Образ жизни
Диета может повышать когнитивные способности и защищать нейронные связи головного мозга от повреждений, содействовать их восстановлению после болезней и противодействовать последствиям старения. На здоровье мозга, по всей видимости, оказывают положительное влияние:
— омега-3 (рыба, семена льна, киви, орехи);
— куркумин (карри);
— флавоноиды (какао, зеленый чай, цитрусовые, темный шоколад);
— витамины группы В;
— витамин Е (авокадо, орехи, арахис, шпинат, пшеничная мука);
— холин (куриное мясо, телятина, яичные желтки).
Большинство перечисленных продуктов опосредованно влияют на нейротрофины. Позитивное влияние диеты усиливается при наличии физических упражнений. Кроме того, умеренное ограничение количества калорий в рационе стимулирует экспрессию нейротрофинов.
Для восстановления и развития нейронных связей полезно исключение насыщенных жиров и рафинированного сахара. Продукты с добавленными сахарами снижают уровни нейротрофинов, что негативно сказывается на нейропластичности. А высокое содержание насыщенных жиров в еде даже тормозит восстановление мозга после черепно-мозговых травм.
Среди негативных факторов, затрагивающих нейронные связи: курение и стресс. Курение и длительный стресс в последнее время ассоциируют с нейродегенеративными изменениями. Хотя непродолжительный стресс может быть катализатором нейропластичности.
Функционирование нейронных связей зависит и ото сна. Возможно, даже больше, чем от всех остальных перечисленных факторов. Потому что сам по себе сон — "это цена, которую мы платим за пластичность мозга" (Sleep is the price we pay for brain plasticity. Ch. Cirelli - Ч. Цирелли).
Резюме
Как улучшить нейронные связи головного мозга? Положительное влияние оказывают:
- физические упражнения;
- задачи и трудности;
- полноценный сон;
- сбалансированная диета.
Негативно воздействуют:
- жирная пища и сахар;
- курение;
- длительный стресс.
Мозг чрезвычайно пластичен, но "лепить" из него что-то очень сложно. Он не любит тратить энергию на бесполезные вещи. Быстрее всего развитие новых связей происходит в ситуации конфликта, когда человек не способен решить задачу известными методами.
Невероятные факты
Тело человека является невероятно сложной и запутанной системой, которая до сих пор сбивает с толку врачей, исследователей, несмотря на тысячи лет медицинских знаний.
В результате появляются причудливые и порой невероятные факты нашего организма.
Мозг является наиболее сложной и наименее понятной частью человеческой анатомии. О нем, может быть, мы многого не знаем, но вот несколько очень интересных фактов, о которых известно.
Скорость импульсов в мозге
Нервные импульсы путешествуют по мозгу со скоростью 273 км в час.
Вы никогда не задумывались, почему реагируете так быстро на происходящее вокруг Вас? Почему пораненный палец болит сразу? Это связано с чрезвычайно быстрым движением нервных импульсов от мозга к частям Вашего тела и наоборот. В результате чего скорость реакции нервных импульсов сравнима со скоростью мощного роскошного спортивного автомобиля.
Энергия головного мозга
Мозг вырабатывает энергию эквивалентную лампочке 10 Ватт. Мультфильмы, где над героями весит лампочка над головой во время мыслительного процесса, не слишком далеки от истины. Ваш мозг генерирует столько энергии, сколько употребляет небольшая лампочка, даже когда Вы спите.
Между тем мозг является органом с самым большим потреблением энергии. Он забирает из организма около 20% энергии, при этом составляет 2% от общего веса тела. Большая часть этой энергии тратится на обмен информацией между нейронами, а также между нейронами и астроцитами (тип клеток).
Память мозга
Человеческие клетки мозга могут хранить в 5 раз больше информации, нежели Британская или другая энциклопедии.
Ученым еще предстоит узнать окончательные цифры, однако предположительно емкость мозга в электронных терминах составляет около 1000 терабайт.
К примеру, национальный архив Великобритании, содержащий исторические летописи за 900 лет занимает всего 70 терабайт. Это делает человеческую память впечатляюще вместительной.
Кислород в головном мозге
Ваш мозг использует 20% кислорода, которым Вы дышите. Несмотря на маленькую массу мозга, он употребляет больше кислорода, чем какой-либо другой орган в теле человека.
Это делает мозг очень чувствительным к повреждениям, связанным с лишением кислорода. Поэтому ему нравится, когда Вы дышите глубоко.
Если приток кислорода к мозгу увеличить, то начнут активизироваться те области мозга, которые не функционировали при слабом кровяном течении и процесс старения, отмирания клеток замедлится.
Интересный факт! Сонные артерии имеют разветвления в мельчайшие сосуды внутри черепа, образуя запутанную и удивительную сеть капилляров. Это очень тонкие кровеносные тоннели, которые обеспечивают доступ крови к малейшим участкам мозга, обеспечивая необходимым количеством нейронов и кислорода.
Работа мозга во сне
Мозг более активен ночью, чем днем. Логически можно предположить, что мыслительные процессы, сложные расчеты и задачи мы совершаем в течение рабочего дня, для чего потребовалось бы большей деятельности мозга, чем, скажем лежа в постели.
Оказывается верно и обратное. Как только Вы засыпаете, мозг продолжает работать. Ученые до конца пока не знают, почему так, но за все сны Мы должны быть признательны именно этому органу.
Интересный факт! В раннем детстве нет разницы между сном и бодрствованием. Объясняют это местом мышления в мозге. Именно в детстве почти все мыслительные процессы происходят в правом полушарии. Ребенок познает мир образами. Поэтому воспоминания у ребенка похожи на сны по своей структуре.
Повзрослевшего ребенка учат уже готовыми и определенными понятиями, чем "забивают" наш мозг. Поэтому происходит ассиметрия нашего мозга. Левое полушарие перегружается за время дневной работы. Ситуация как бы выравнивается во время сна, когда левое полушарие "засыпает", а правое начинает активно действовать, погружая нас в мир образного мышления.
Работа мозга во время мечтаний
Ученые утверждают, что чем выше I.Q. человека, тем больше он мечтает.
Это конечно может быть правдой, но не стоит воспринимать такое утверждение как нехватку мыслей, если Вы не можете вспомнить свои мечты. Большинство из нас не помнят многих мечтаний. Ведь время большинства мечтаний, о которых мы думаем всего 2-3 секунды, а этого едва хватает, чтобы мозг их зафиксировал.
Интересный факт! Ученые провели эксперимент, в результате которого было обнаружено, что мозг намного активнее у человека, когда он мечтает, а не сосредоточен на однотонной работе.
В момент начала процесса мечтания большая часть отделов головного мозга начинает работать усиленно. Поэтому можно сделать заключение, что мечты помогают в разрешении всех важных проблем.
Количество нейронов в мозге
Количество нейроны в мозге продолжают расти на протяжении всей человеческой жизни.
В течение многих лет ученые и врачи считали, что мозг и нервная ткань не может расти или восстанавливаться. Но оказалось, что мозг работает так же, как и ткани многих других частей тела. Поэтому количество нейронов может расти постоянно.
К сведению! Нейроны - это основа любой нервной системы. Это специальные клетки, у которых древовидные отростки расходятся во все стороны, соприкасаясь с соседними клетками, у которых такие же отростки. Все это формирует огромную химическую и электрическую сеть, что и является нашим мозгом.
Именно нейроны позволяют мозгу совершать разные действия намного эффективнее и быстрее, чем любая созданная машина.
Мозг не чувствует боль
Сам мозг не может чувствовать боль. В то время как мозг является центром обработки боли, когда вы порезали палец, или обожглись, сам он не имеет болевых рецепторов и не чувствует боль.
Однако мозг окружен множеством тканей, нервов и кровеносных сосудов, которые очень восприимчивы к боли и могут создать Вам головную боль.
Тем не менее, головные боли имеют различные виды, и точные причины возникновения многих остаются неясными.
Человеческий мозг и вода
80% мозга состоит из воды. Ваш мозг – это не сплошная серая масса, которую показывают по телевизору. Он представляет собой мягкую и розовую ткань благодаря пульсирующей там крови и высокому содержанию воды.
Так, что когда Вы чувствуете жажду это, то в том числе, потому что мозг требует воды.
Интересный факт! В среднем мозг человека весит 1,4 кг и он чрезвычайно чувствителен к потере воды. Если мозг будет обезвожен продолжительное время, то его правильное существование прекратится.
С моим видением того как работает мозг и каковы возможные пути создания искусственного интеллекта. За прошедшее с тех пор время удалось существенно продвинуться вперед. Что-то получилось глубже понять, что-то удалось смоделировать на компьютере. Что приятно, появились единомышленники, активно участвующие в работе над проектом.
В настоящем цикле статей планируется рассказать о той концепции интеллекта над которой мы сейчас работаем и продемонстрировать некоторые решения, являющиеся принципиально новыми в сфере моделирования работы мозга. Но чтобы повествование было понятным и последовательным оно будет содержать не только описание новых идей, но и рассказ о работе мозга вообще. Какие-то вещи, особенно в начале, возможно покажутся простыми и общеизвестными, но я бы советовал не пропускать их, так как они во многом определяют общую доказательность повествования.
Общее представление о мозге
Нервные клетки, они же нейроны, вместе со своими волокнами, передающими сигналы, образуют нервную систему. У позвоночных основная часть нейронов сосредоточена в полости черепа и позвоночном канале. Это называется центральной нервной системой. Соответственно, выделяют головной и спинной мозг как ее составляющие.
Спинной мозг собирает сигналы от большинства рецепторов тела и передает их в головной мозг. Через структуры таламуса они распределяются и проецируются на кору больших полушарий головного мозга.
Кроме больших полушарий обработкой информации занимается еще и мозжечок, который, по сути, является маленьким самостоятельным мозгом. Мозжечок обеспечивает точную моторику и координацию всех движений.
Зрение, слух и обоняние обеспечивают мозг потоком информации о внешнем мире. Каждая из составляющих этого потока, пройдя по своему тракту, также проецируется на кору. Кора – это слой серого вещества толщиной от 1.3 до 4.5 мм, составляющий наружную поверхность мозга. За счет извилин, образованных складками, кора упакована так, что занимает в три раза меньшую площадь, чем в расправленном виде. Общая площадь коры одного полушария – приблизительно 7000 кв.см.
В итоге все сигналы проецируются на кору. Проекция осуществляется пучками нервных волокон, которые распределяются по ограниченным областям коры. Участок, на который проецируется либо внешняя информация, либо информация с других участков мозга образует зону коры. В зависимости от того, какие сигналы на такую зону поступают, она имеет свою специализацию. Различают моторную зону коры, сенсорную зону, зоны Брока, Вернике, зрительные зоны, затылочную долю, всего около сотни различных зон.
В вертикальном направлении кору принято делить на шесть слоев. Эти слои не имеют четких границ и определяются по преобладанию того или иного типа клеток. В различных зонах коры эти слои могут быть выражены по-разному, сильнее или слабее. Но, в общем и целом, можно говорить о том, что кора достаточно универсальна, и предполагать, что функционирование разных ее зон подчиняется одним и тем же принципам.
Слои коры
По афферентным волокнам сигналы поступают в кору. Они попадают на III, IV уровень коры, где распределяются по близлежащим к тому месту, куда попало афферентное волокно, нейронам. Большая часть нейронов имеет аксонные связи в пределах своего участка коры. Но некоторые нейроны имеют аксоны, выходящие за ее пределы. По этим эфферентным волокнам сигналы идут либо за пределы мозга, например, к исполнительным органам, или проецируются на другие участки коры своего или другого полушария. В зависимости от направления передачи сигналов эфферентные волокна принято делить на:
- ассоциативные волокна, которые связывают отдельные участки коры одного полушария;
- комиссуральные волокна, которые соединяют кору двух полушарий;
- проекционные волокна, которые соединяют кору с ядрами низших отделов центральной нервной системы.
Можно представить себе кору головного мозга как большое полотно, раскроенное на отдельные зоны. Картина активности нейронов каждой из зон кодирует определенную информацию. Пучки нервных волокон, образованные аксонами, выходящими за пределы своей зоны коры, формируют систему проекционных связей. На каждую из зон проецируется определенная информация. Причем на одну зону может поступать одновременно несколько информационных потоков, которые могут приходить как с зон своего, так и противоположного полушария. Каждый поток информации похож на своеобразную картинку, нарисованную активностью аксонов нервного пучка. Функционирование отдельной зоны коры – это получение множества проекций, запоминание информации, ее переработка, формирование собственной картины активности и дальнейшая проекция информации, получившейся в результате работы этой зоны.
Существенный объем мозга – это белое вещество. Оно образовано аксонами нейронов, создающими те самые проекционные пути. На рисунке ниже белое вещество можно увидеть как светлое заполнение между корой и внутренними структурам мозга.
Распределение белого вещества на фронтальном срезе мозга
Используя диффузную спектральную МРТ, удалось отследить направление отдельных волокон и построить трехмерную модель связанности зон коры (проект Connectomics (Коннектом)).
Представление о структуре связей хорошо дают рисунки ниже (Van J. Wedeen, Douglas L. Rosene, Ruopeng Wang, Guangping Dai, Farzad Mortazavi, Patric Hagmann, Jon H. Kaas, Wen-Yih I. Tseng, 2012).
Вид со стороны левого полушария
Вид сзади
Вид справа
Кстати, на виде сзади отчетливо видна асимметрия проекционных путей левого и правого полушария. Эта асимметрия во многом и определяет различия в тех функциях, которые приобретают полушария по мере их обучения.
Нейрон
Основа мозга – нейрон. Естественно, что моделирование мозга с помощью нейронных сетей начинается с ответа на вопрос, каков принцип его работы.
В основе работы реального нейрона лежат химические процессы. В состоянии покоя между внутренней и внешней средой нейрона существует разность потенциалов – мембранный потенциал, составляющий около 75 милливольт. Он образуется за счет работы особых белковых молекул, работающих как натрий-калиевые насосы. Эти насосы за счет энергии нуклеотида АТФ гонят ионы калия внутрь, а ионы натрия - наружу клетки. Поскольку белок при этом действует как АТФ-аза, то есть фермент, гидролизующий АТФ, то он так и называется - «натрий-калиевая АТФ-аза». В результате нейрон превращается в заряженный конденсатор с отрицательным зарядом внутри и положительным снаружи.
Схема нейрона (Mariana Ruiz Villarreal)
Поверхность нейрона покрыта ветвящимися отростками – дендритами. К дендритам примыкают аксонные окончания других нейронов. Места их соединений называются синапсами. Посредством синаптического взаимодействия нейрон способен реагировать на поступающие сигналы и при определенных обстоятельствах генерировать собственный импульс, называемый спайком.
Передача сигнала в синапсах происходит за счет веществ, называемых нейромедиаторами. Когда нервный импульс по аксону поступает в синапс, он высвобождает из специальных пузырьков молекулы нейромедиатора, характерные для этого синапса. На мембране нейрона, получающего сигнал, есть белковые молекулы – рецепторы. Рецепторы взаимодействуют с нейромедиаторами.
Химический синапс
Рецепторы, расположенные в синаптической щели, являются ионотропными. Это название подчеркивает тот факт, что они же являются ионными каналами, способными перемещать ионы. Нейромедиаторы так воздействуют на рецепторы, что их ионные каналы открываются. Соответственно, мембрана либо деполяризуется, либо гиперполяризуется – в зависимости от того, какие каналы затронуты и, соответственно, какого типа этот синапс. В возбуждающих синапсах открываются каналы, пропускающие катионы внутрь клетки, - мембрана деполяризуется. В тормозных синапсах открываются каналы, проводящие анионы, что приводит к гиперполяризации мембраны.
В определенных обстоятельствах синапсы могут менять свою чувствительность, что называется синаптической пластичностью. Это приводит к тому, что синапсы одного нейрона приобретают различную между собой восприимчивость к внешним сигналам.
Одновременно на синапсы нейрона поступает множество сигналов. Тормозящие синапсы тянут потенциал мембраны в сторону накопления заряда внутри клети. Активирующие синапсы, наоборот, стараются разрядить нейрон (рисунок ниже).
Возбуждение (A) и торможение (B) ганглиозной клетки сетчатки (Николлс Дж., Мартин Р., Валлас Б., Фукс П., 2003)
Когда суммарная активность превышает порог инициации, возникает разряд, называемый потенциалом действия или спайком. Спайк – это резкая деполяризация мембраны нейрона, которая и порождает электрический импульс. Весь процесс генерации импульса длится порядка 1 миллисекунды. При этом ни продолжительность, ни амплитуда импульса не зависят от того, насколько были сильны вызвавшие его причины (рисунок ниже).
Регистрация потенциала действия ганглиозной клетки (Николлс Дж., Мартин Р., Валлас Б., Фукс П., 2003)
После спайка ионные насосы обеспечивают обратный захват нейромедиатора и расчистку синаптической щели. В течение рефрактерного периода, наступающего после спайка, нейрон не способен порождать новые импульсы. Продолжительность этого периода определяет максимальную частоту генерации, на которую способен нейрон.
Спайки, которые возникают как следствие активности на синапсах, называют вызванными. Частота следования вызванных спайков кодирует то, насколько хорошо поступающий сигнал соответствует настройке чувствительности синапсов нейрона. Когда поступающие сигналы приходятся именно на чувствительные синапсы, активирующие нейрон, и этому не мешают сигналы, приходящие на тормозные синапсы, то реакция нейрона максимальна. Образ, который описывается такими сигналами, называют характерным для нейрона стимулом.
Конечно, представление о работе нейронов не стоит излишне упрощать. Информация между некоторыми нейронами может передаваться не только спайками, но и за счет каналов, соединяющих их внутриклеточное содержимое и передающих электрический потенциал напрямую. Такое распространение называется градуальным, а само соединение называется электрическим синапсом. Дендриты в зависимости от расстояния до тела нейрона делятся на проксимальные (близкие) и дистальные (удаленные). Дистальные дендриты могут образовывать секции, работающие как полуавтономные элементы. Помимо синаптических путей возбуждения есть внесинаптические механизмы, вызывающие метаботропные спайки. Кроме вызванной активности существует еще и спонтанная активность. И наконец, нейроны мозга окружены глиальными клетками, которые также оказывают существенное влияние на протекающие процессы.
Долгий путь эволюции создал множество механизмов, которые используются мозгом в своей работе. Некоторые из них могут быть поняты сами по себе, смысл других становится ясен только при рассмотрении достаточно сложных взаимодействий. Поэтому не стоит воспринимать сделанное выше описание нейрона как исчерпывающее. Чтобы перейти к более глубоким моделям, нам необходимо сначала разобраться с «базовыми» свойствами нейронов.
В 1952 году Аланом Ллойдом Ходжкином и Эндрю Хаксли были сделаны описания электрических механизмов, которые определяют генерацию и передачу нервного сигнала в гигантском аксоне кальмара (Hodgkin, 1952). Что было оценено Нобелевской премией в области физиологии и медицины в 1963 году. Модель Ходжкина – Хаксли описывает поведение нейрона системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Эти уравнения соответствуют автоволновому процессу в активной среде. Они учитывают множество компонент, каждая из которых имеет свой биофизический аналог в реальной клетке (рисунок ниже). Ионные насосы соответствуют источнику тока I p . Внутренний липидный слой клеточной мембраны образует конденсатор с емкостью C m . Ионные каналы синаптических рецепторов обеспечивают электрическую проводимость g n , которая зависит от подаваемых сигналов, меняющихся со временем t, и общей величины мембранного потенциала V. Ток утечки мембранных пор создает проводник g L . Движение ионов по ионным каналам происходит под действием электрохимических градиентов, которым соответствуют источники напряжения с электродвижущей силой E n и E L .
Основные компоненты модели Ходжкина - Хаксли
Естественно, что при создании нейронных сетей возникает желание упростить модель нейрона, оставив в ней только самые существенные свойства. Наиболее известная и популярная упрощенная модель – это искусственный нейрон Маккалока - Питтса, разработанный в начале 1940-х годов (Маккалох Дж., Питтс У., 1956).
Формальный нейрон Маккалока - Питтса
На входы такого нейрона подаются сигналы. Эти сигналы взвешенно суммируются. Далее к этой линейной комбинации применяется некая нелинейная функция активации, например, сигмоидальная. Часто как сигмоидальную используют логистическую функцию:
Логистическая функция
В этом случае активность формального нейрона записывается как
В итоге такой нейрон превращается в пороговый сумматор. При достаточно крутой пороговой функции сигнал выхода нейрона – либо 0, либо 1. Взвешенная сумма входного сигнала и весов нейрона – это свертка двух образов: образа входного сигнала и образа, описываемого весами нейрона. Результат свертки тем выше, чем точнее соответствие этих образов. То есть нейрон, по сути, определяет, насколько подаваемый сигнал похож на образ, записанный на его синапсах. Когда значение свертки превышает определенный уровень и пороговая функция переключается в единицу, это можно интерпретировать как решительное заявление нейрона о том, что он узнал предъявляемый образ.
Реальные нейроны действительно неким образом похожи на нейроны Маккалока - Питтса. Амплитуды их спайков не зависит от того, какие сигналы на синапсах их вызвали. Спайк, либо есть, либо его нет. Но реальные нейроны реагируют на стимул не единичным импульсом, а импульсной последовательностью. При этом частота импульсов тем выше, чем точнее узнан характерный для нейрона образ. Это означает, что если мы построим нейронную сеть из таких пороговых сумматоров, то она при статичном входном сигнале хотя и даст какой-то выходной результат, но этот результат будет далек от воспроизведения того, как работают реальные нейроны. Для того чтобы приблизить нейронную сеть к биологическому прототипу, нам понадобится моделировать работу в динамике, учитывая временные параметры и воспроизводя частотные свойства сигналов.
Но можно пойти и другим путем. Например, можно выделить обобщенную характеристику активности нейрона, которая соответствует частоте его импульсов, то есть количеству спайков за определенный промежуток времени. Если перейти к такому описанию, то можно представить нейрон как простой линейный сумматор.
Линейный сумматор
Сигналы выхода и, соответственно, входа для таких нейронов уже не являются дихатомичными (0 или 1), а выражаются некой скалярной величиной. Функция активации тогда записывается как
Линейный сумматор не стоит воспринимать как что-то принципиально иное по сравнению с импульсным нейроном, просто он позволяет при моделировании или описании перейти к более длинным временным интервалам. И хотя импульсное описание более корректно, переход к линейному сумматору во многих случаях оправдан сильным упрощением модели. Более того, некоторые важные свойства, которые трудно разглядеть в импульсном нейроне, вполне очевидны для линейного сумматора.
Человеческий мозг - самый продуктивный в живой природе. Он составляет до 2,5% массы тела и способен развиваться на протяжении всей жизни. Если взглянуть на мозг с точки зрения науки, станет понятно, что каждый человек - настоящий супермен. Нейроны быстрее «Сапсана», невозможность щекотать себя и жонглирование вместо ноотропов - T&P собрали 10 фактов о мозге человека, которые способны перевернуть наше представление о себе.
Ваш мозг состоит из порядка 100 миллиардов нейронов. Если бы каждый из них был звездой, в черепную коробку поместилась бы треть галактики Млечный путь. В головном мозге различают пять отделов: продолговатый мозг, задний мозг, в который входят мозжечок и мост, средний мозг, промежуточный мозг и передний мозг, представленный большими полушариями. Каждый из них выполняет десятки и даже сотни различных функций.
Скорость передачи информации в вашем мозге может достигать 432 км/ч. Для сравнения, скорость поездов «Сапсан», курсирующих между Москвой и Санкт-Петербургом, составляет порядка 250 км/ч. Если бы «Сапсан» двигался так же быстро, как работает ваш головной мозг, он бы преодолел расстояние между двумя городами за 1 час 36 минут.
Среднее количество мыслей , которые приходят вам в голову каждый день - порядка 70 000. При такой активности мозг вынужден постоянно забывать ненужную информацию для того, чтобы не перегружать себя и защититься от неприятных эмоциональных переживаний. Это позволяет вам мыслить быстрее и легче усваивать новые сведения.
Тем не менее, в течение жизни ваша долговременная память может хранить до 1 квадриллиона (1 миллион миллиардов) отдельных бит информации . Это эквивалентно 25 000 DVD.
Когда мозг не спит, он производит энергию мощностью от 10 до 23 ватт. Этого достаточно, чтобы питать электрическую лампочку. Вот почему этот предмет полностью оправдывает свой статус традиционного символа озарений и новых идей.
Новые физические связи между нейронами возникают каждый раз, когда вы что-нибудь запоминаете. Делать это можно не только в состоянии бодрствования, но и в фазе быстрого сна. Ученые выяснили, что в ней человек способен осваивать новую информацию и выполнять незнакомые задачи (например, заучивать музыкальные произведения). Во время фазы быстрого сна крупные мышцы тела расслабляются, активность мозга возрастает, а глазные яблоки начинают активно двигаться под веками. Каждую ночь вы переживаете от 9 до 12 «быстрых» фаз. Суммарно они составляют от 20 до 25% ночного сна. Это значит, что из 80 лет жизни в этом состоянии человек проводит от 5 до 6,5 лет.
Ваш мозг перестает активно расти и становится «взрослым» в 18 лет. Однако развиваться он не прекращает. Особенно хорошо тренировке поддаются навыки социализации и общения с другими людьми, за которые отвечает предлобная кора. Она может расти до 40 лет и дольше. Способности к росту в течение жизни сохраняются и у других участков: например, у гиппокампа, отвечающего за память. Проведенные в Великобритании исследования доказали, что у лондонских таксистов, которые хорошо знают город, эта область мозга в среднем больше, чем у людей других профессий. Особенно массивной она была у водителей, которые проработали в городе наибольшее количество лет.
Миф о том, что вы используете только 10% способностей своего мозга, не верен. Каждая часть мозга имеет известную функцию. Например, благодаря работе двух миниатюрных областей, называемых миндальными телами и расположенных внутри височных долей мозга, вы можете без слов распознавать чувства на лицах других людей и их настроение. А вот желание посмеяться над шуткой требует задействовать сразу пять разных областей головного мозга.
Вы обладаете не только пятью известными чувствами: зрением, слухом, осязанием, обонянием и вкусом. У вас также есть мета-чувство под названием проприорецепция , которое объединяет знание вашего мозга о том, чем заняты ваши мышцы, с ощущением размера, формы и положения вашего тела в пространстве. Благодаря проприорецепции вы знаете, где находятся части вашего тела друг относительно друга и можете с закрытыми глазами коснуться кончика своего носа пальцем. А вот пощекотать себя самого невозможно: ваш мозг способен отличить ваши собственные прикосновения от прикосновений извне, даже если последние ожидаемы.
Ежедневные занятия жонглированием изменили бы ваш мозг всего за семь дней : в теменных долях у вас появилось бы больше белого вещества, отвечающего за координацию движений. Это доказывает, что мозг может развиваться и адаптироваться очень быстро.
