Работа нейрона
Рассмотрим, как работает клетка головного мозга нейрон. Сразу предупреждаю читателя, что
- Нейронов достаточно много видов. Здесь рассматривается устройство и работа только одного вида нейронов, мультиполярных нейронов, которые преобладают в центральной нервной системе. Именно работа этих нейронов в середине XX века вдохновила создателей искусственных нейросетей.
- В своё время принцип работы нейронов был взят за основу для создания искусственных нейронных сетей. Но сейчас работа современных нейросетей имеет уже мало чего общего с работой нейронов головного мозга.
- Работа нейронов головного мозга очень разнообразна и многогранна. Но мы рассмотрим только те моменты, которые важны для следующей статьи про правила Хебба. Многие биологические свойства нейронов будут за рамками данной статьи.
Устройство нейрона
Мультиполярный нейрон имеет много коротких отростков дендритов и один длинный отросток аксон. На конце аксона идет разветвление на короткие отростки терминали. Терминали одного нейрона соединяются с дендритами других нейронов. Это соединение терминаля и дендрита называется синапсом. Благодаря этим синапсам нейроны способны обмениваться информацией между собой.
Нейронная сеть головного мозга
Все нейроны связаны друг с другом в одну общую сеть головного мозга. Количество нейронов в мозге человека примерно равно 100 миллиардам. Это столько же, сколько примерно звезд в Нашей Галактике. У каждого нейрона в среднем 7000 связей. Всего в мозге около 100 триллионов синапсов.
Аксоны могут быть очень длинными, длиной более метра. Поэтому нет никаких проблем, в наличие связей между нейронами из самых разных частей мозга. Многие из таких связей науке до сих пор непонятны и остаются загадочными. В мозге обнаружены также загадочные замкнутые цепочки связанных нейронов, назначение которых остается также очень сильно непонятным.
Передача информации между нейронами
Информация между нейронами передается и электрическими импульсами и ионами. То есть нейроны используют электрохимический способ обмена информацией.
При этом электрический импульс бежит от тела нейрона по аксону, затем по терминалям и через синапсы проходит в дендриты других нейронов. А по дендритам этих нейронов электрический сигнал попадает в тела нейронов.
Химическая передача информации происходит в синапсах. Заряженные ионы одного нейрона через синапс попадают в другой нейрон. Регулируют этот ток ионов специальные молекулы, которые называются медиаторы. Их много разных видов. Их свойством является то, что они могут изменять работу синапса и тем самым влиять на прохождение электрического тока через синапс.
Элементарная работа нейрона
В первой половине XX века были выяснены очень интересные принципиально важные свойства работы нейронов по передаче электрических сигналов.
Пока нейрон жив, он никогда не спит. В неактивном состоянии нейрон и всё время посылает другим нейронам низкочастотные импульсы с частотой от 10 Гц и выше. Он как бы дает понять другим нейронам, что он жив, и что канал связи через него работает. Эти низкочастотные импульсы он посылает через случайные промежутки времени.
В активном (возбужденном) состоянии нейрон посылает высокочастотный импульс с частотой до 200 Гц. (На самом деле, в физике высокочастотными колебаниями называют колебания из мегагерцового диапазона, но мы здесь и далее пренебрегаем этой терминологией физиков.)
Все эти электрические импульсы достаточно короткие по времени и, в общем случае, отличаются друг от друга по величине их передаваемой энергии (частоте и амплитуде). Чем выше частота импульса и его амплитуда, тем больше его энергия.
Слабый импульс (или сигнал), это импульс (или сигнал), который несет с собой относительно маленькую энергию, так как имеет низкую частоту колебаний электрического поля (и, возможно, маленькую амплитуду). Сильный сигнал (или импульс), это сигнал (или импульс), который передает относительно большую энергию.
Пороговые свойства прохождения сигнала
Первое самое замечательное свойство нейрона заключается в том, что, если в него попал слишком слабый сигнал, то этот сигнал подавляется и уже не передается другим нейронам. Такой слабый сигнал просто пропадает и всё. То есть не передаются другим нейронам не только обычные для неактивного нейрона очень низкочастотные колебания, которые приходят от нейронов в неактивном состоянии, но могут не передаваться дальше и сигналы от активных нейронов, если их частота недостаточно высокая для активации данного нейрона.
Если же сигнал достаточно сильный (имеет достаточно высокую частоту), то нейрон генерирует свой собственный сигнал, который передает по своему аксону и терминалям другим нейронам, которые связаны своими дендритами с рассматриваемым нейроном. То есть передается через нейрон не в точности сам сигнал, который в него пришел, а передается, как бы, информация о самом факте того, что в нейрон пришел достаточно сильный сигнал.
В этом смысле нейрон похож не на проводник в обычной технической цепи электрического тока, а на какой-нибудь пороговый элемент, типа транзистора. И поэтому более корректно говорить, что через нейрон передается не физический электрический сигнал со своими свойствами, а передается информация (или трансформированный сигнал).
Итак, чтобы рассматриваемый нейрон передал сигнал через себя по сети, нужно, чтобы входящий сигнал был достаточно сильным, свыше некоторого определенного порога активации нейрона.
Аккумулятивные свойства прохождения сигнала
Второе самое замечательное свойство нейрона заключается в том, что при поступлении в нейрон одновременно нескольких сигналов от разных нейронов, все эти сигналы суммируются друг с другом, и именно эта сумма учитывается при преодолении порога активации нейрона.
Чтобы понять это рассмотрим пример на картинке. Допустим, что для нарисованного нейрона порог его активации составляет некоторые 5 условных единиц энергии сигнала. Если от нейрона A пришел сигнал величиной 4 условных единицы, то наш нейрон не возбудился, так как 4 меньше величины порога активации, равного 5. Если затем от нейрона B пришел сигнал тоже величиной 4 условных единицы, то наш нейрон опять не возбудился по той же причине.
Но если эти два сигнала от нейронов A и B пришли в наш нейрон одновременно, то они складываются друг с другом. Получаем, что наш нейрон получил сигнал эквивалентный 4 + 4 = 8 единиц энергии. Это больше порога активации нашего нейрона. Поэтому наш нейрон генерирует свой собственный сигнал, который передает следующим нейронам по аксону и терминалям.
Если от нейрона A пришел сигнал равный 3 условным единицам, и одновременно от нейрона B пришел сигнал равный 1 условной единице, то порог активации преодолен не будет, так как сумма 3 + 1 = 4 меньше 5.
Нейропластичность
Еще одно свойство нейронов, которое в некоторой степени присуще искусственным нейронным сетям, это пластичность или нейропластичность. Нейропластичность, это способность нейронов принимать на себя функции, которые им изначально были не свойственны.
Нейропластичность происходит не только из-за того, что нейроны постоянно образуют всё новые и новые связи прорастанием своих аксонов, дендритов и терминалей. И не только из-за постоянного обновления старых нейронов на новые в процессе нейрогенезиса. В первую очередь нейропластичность обусловлена тем, что уже существующие нейроны могут переобучиться для того, чтобы обрабатывать совершенно новые для них сигналы.
На нейропластичности основан эффект фантомных болей у человека с ампутированными органами. Те нейроны, которые раньше отвечали за работу утраченного органа, обучаются каким-то новым функциям, а другие нейроны некоторое время ничего «не знают» об этом. Они начинают новые сигналы от тех нейронов интерпретировать, как сигналы от утраченного органа. Причем, иногда интерпретируют эти сигналы, как неправильные сигналы от органа. В результате, например, у человека с ампутированной рукой появляется ощущение, что у него начинает «болеть» палец на ампутированной руке.
Другим примером нейропластичности является, например, обостренный слух у слепых людей. Некоторые слепые люди даже успешно развивают у себя способность к эхолокации. Заходя в какое-нибудь новое помещение, они по отраженному звуку от стен и предметов могут определить размеры помещения и где находятся разные препятствия.
Синапс
Синапс, это самое интересное и удивительное в нейронных сетях. Самое интересное свойство синапса состоит в том, что в ходе передачи сигнала от одного нейрона к другому в синапсе может произойти изменение частоты и амплитуды электрического импульса. Эта модификация физических характеристик сигнала зависит от наличия тех или иных молекул медиаторов в синаптической щели (пространство между двумя нейронами в синапсе).
Молекулы медиаторов находятся в синапсе не только в пространстве между нейронами, но и на мембранах обеих нейронах. Молекулы медиаторов усиливают или уменьшают поток заряженных ионов через синапс.
По своей функциональности синапсы подразделяются на три типа:
Считается, что именно электрические и смешанные синапсы обуславливают электромагнитное излучение мозга. Такое электромагнитное поле головного мозга фиксируется специальными датчиками, сеточка которых крепится на голове человека. С помощью таких детекторов можно зафиксировать, как меняется электромагнитное поле при определенных мыслях человека и в простейших случаях расшифровать их.
Именно так работает гаджет для управления курсором компьютерной мышки для людей, которые или парализованны или не имеют рук, чтобы самим двигать компьютерную мышку по поверхности стола. Это устройство распознает электромагнитный сигнал от мысли человека, когда он, например, думает, что курсор должен на экране монитора подниматься вверх. Данный сигнал преобразуется в сигнал, понятный для компьютерного контроллера мышки и подается на него. В результате курсор на экране монитора действительно начинает двигаться туда, куда желает человек.
Битва экстрасенсов
Идея телепередачи «Битва экстрасенсов» на первый взгляд кажется очень здравой. Если отбросить оттуда весь колдовской шаманский антураж, то с научной точки зрения там люди, называющие себя экстрасенсами, просто пытаются читать мысли источника. Мозг источника излучает электромагнитные волны, а мозг, так называемых, экстрасенсов, должен улавливать это излучение и интерпретировать возникающие у них образы в виде какой-нибудь версии ответа на предложенное задание.
Источник всегда присутствует рядом с экстрасенсом. Если внимательно смотреть все выпуски «Битвы экстрасенсов», то нетрудно определить, кто из участников этого шоу в том или ином задании играет роль источника. Чаще всего, это один из ведущих или приглашенный гость. В задачу источника входит интенсивно думать о той версии, которую должен озвучить экстрасенс. В зависимости от того, что хочет администрация телепередачи, помочь экстрасенсу или, наоборот, завалить его, источник должен думать ту или иную версию ответа.
Но, на самом деле, это телешоу не выдерживает критики.
Во-первых, чтобы хорошо улавливать излучение синапсов другого человека, синапсы экстрасенса должны быть в точности такими же, как и те синапсы, которые излучают электромагнитное излучение. Они должны в точности совпадать по своей геометрии. Только так в принимающем синапсе произойдет резонанс и усиление полученного электромагнитного поля.
В противном случае пришедшая в синапсы экстрасенса электромагнитная волна не будет усиливаться и не сможет генерировать такие же сигналы, как в мозге источника. В результате, слабые сигналы не смогут преодолеть порог активации нейронов. И поэтому по нейронной сети экстрасенса не пойдут аналогичные сигналы, как в нейронной сети источника.
Во-вторых, не факт, что у экстрасенса структура мозга очень похожая на структуру мозга источника. Из предыдущей статьи Вы уже знаете, что у каждого человека своя индивидуальная структура нейронных связей. Поэтому даже, если в синапсах у экстрасенса произошел резонанс и сигнал от синапса преодолевает пороги активации нейронов мозга экстрасенса, то совсем не факт, что в мозгу экстрасенса создается образ, который имеет хоть какое-то отношение к тому, о чем думает источник.
Одинаковая геометрия синапсов, по идее, должна быть у однояйцовых близнецов. Если такие близнецы проживают вместе и проводят большую часть жизни вместе, то и структуры их нейросетей в чем-то похожи. Эксперименты по угадыванию цифр или игральных карт из колоды такими близнецами показывают результат, который только слегка отличается от случайного угадывания.
Упоминавшийся выше гаджет для управления курсором мышки на экране монитора обладает одним серьезным недостатком, который не позволяет внедрить его в массовое производство и продажу. Этот недостаток заключается в том, что его надо достаточно долго настраивать под каждого пользователя индивидуально. Вы не можете взять такой гаджет, которым кто-то уже успешно пользуется, и тут же начать использовать его самому. От ваших синапсов пойдут другие сигналы, которые это устройство не сможет распознать.
В-третьих, энергия электромагнитных волн уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния от источника. Упомянутые выше эксперименты на близнецах с угадыванием цифр и карт проводились, когда близнецы сидят спина к спине и между их черепами расстояние не более полметра. При увеличении этого расстояния свыше одного метра получается результат, который ничем не отличается от случайного угадывания.
В телешоу «Битва экстрасенсов» можно иногда увидеть, что расстояние между источником и экстрасенсом составляет несколько метров. Например, однажды при поиске спрятавшегося в лесу ребенка, одна очень активная участница битвы в азарте убежала от источника вперед метров на 20-30 и после этого правильно определила нужное направление поиска. Ну, что тут сказать. Это такое расстояние, что даже герои Гарри Поттера будут завидовать такому магическому дальнодействию.
Источник
Распространение нервных импульсов
Нервные импульсы распространяются при перемещении ионов через мембрану нервной клетки и передаются из одной нервной клетки в другую с помощью нейромедиаторов.
В результате эволюции нервной системы человека и других животных возникли сложные информационные сети, процессы в которых основаны на химических реакциях. Важнейшим элементом нервной системы являются специализированные клетки нейроны. Нейроны состоят из компактного тела клетки, содержащего ядро и другие органеллы. От этого тела отходит несколько разветвленных отростков. Большинство таких отростков, называемых дендритами, служат точками контакта для приема сигналов от других нейронов. Один отросток, как правило самый длинный, называется аксоном и передает сигналы на другие нейроны. Конец аксона может многократно ветвиться, и каждая из этих более мелких ветвей способна соединиться со следующим нейроном.
Во внешнем слое аксона находится сложная структура, образованная множеством молекул, выступающих в роли каналов, по которым могут поступать ионы — как внутрь, так и наружу клетки. Один конец этих молекул, отклоняясь, присоединяется к атому-мишени. После этого энергия других частей клетки используется на то, чтобы вытолкнуть этот атом за пределы клетки, тогда как процесс, действующий в обратном направлении, вводит внутрь клетки другую молекулу. Наибольшее значение имеет молекулярный насос, который выводит из клетки ионы натрия и вводит в нее ионы калия (натрий-калиевый насос).
Когда клетка находится в покое и не проводит нервных импульсов, натрий-калиевый насос перемещает ионы калия внутрь клетки и выводит ионы натрия наружу (представьте себе клетку, содержащую пресную воду и окруженную соленой водой). Из-за такого дисбаланса разность потенциалов на мембране аксона достигает 70 милливольт (приблизительно 5% от напряжения обычной батарейки АА).
Однако при изменении состояния клетки и стимуляции аксона электрическим импульсом равновесие на мембране нарушается, и натрий-калиевый насос на короткое время начинает работать в обратном направлении. Положительно заряженные ионы натрия проникают внутрь аксона, а ионы калия откачиваются наружу. На мгновение внутренняя среда аксона приобретает положительный заряд. При этом каналы натрий-калиевого насоса деформируются, блокируя дальнейший приток натрия, а ионы калия продолжают выходить наружу, и исходная разность потенциалов восстанавливается. Тем временем ионы натрия распространяются внутри аксона, изменяя мембрану в нижней части аксона. При этом состояние расположенных ниже насосов меняется, способствуя дальнейшему распространению импульса. Резкое изменение напряжения, вызванное стремительными перемещения ионов натрия и калия, называют потенциалом действия. При прохождении потенциала действия через определенную точку аксона, насосы включаются и восстанавливают состояние покоя.
Потенциал действия распространяется довольно медленно — не более доли дюйма за секунду. Для того чтобы увеличить скорость передачи импульса (поскольку, в конце концов, не годится, чтобы сигнал, посланный мозгом, достигал руки лишь через минуту), аксоны окружены оболочкой из миелина, препятствующей притоку и оттоку калия и натрия. Миелиновая оболочка не непрерывна — через определенные интервалы в ней есть разрывы, и нервный импульс перескакивает из одного «окна» в другое, за счет этого скорость передачи импульса возрастает.
Когда импульс достигает конца основной части тела аксона, его необходимо передать либо следующему нижележащему нейрону, либо, если речь идет о нейронах головного мозга, по многочисленным ответвлениям многим другим нейронам. Для такой передачи используется абсолютно иной процесс, нежели для передачи импульса вдоль аксона. Каждый нейрон отделен от своего соседа небольшой щелью, называемой синапсом. Потенциал действия не может перескочить через эту щель, поэтому нужно найти какой-то другой способ для передачи импульса следующему нейрону. В конце каждого отростка имеются крошечные мешочки, называющие (пресинаптическими) пузырьками, в каждом из которых находятся особые соединения — нейромедиаторы. При поступлении потенциала действия из этих пузырьков высвобождаются молекулы нейромедиаторов, пересекающие синапс и присоединяющиеся к специфичным молекулярным рецепторам на мембране нижележащих нейронов. При присоединении нейромедиатора равновесие на мембране нейрона нарушается. Сейчас мы рассмотрим, возникает ли при таком нарушении равновесия новый потенциал действия (нейрофизиологи продолжают искать ответ на этот важный вопрос до сих пор).
После того как нейромедиаторы передадут нервный импульс от одного нейрона на следующий, они могут просто диффундировать, или подвергнуться химическому расщеплению, или вернуться обратно в свои пузырьки (этот процесс нескладно называется обратным захватом). В конце XX века было сделано поразительное научное открытие — оказывается, лекарства, влияющие на выброс и обратный захват нейромедиаторов, могут коренным образом изменять психическое состояние человека. Прозак (Prozac*) и сходные с ним антидепрессанты блокируют обратный захват нейромедиатора серотонина. Складывается впечатление, что болезнь Паркинсона взаимосвязана с дефицитом нейромедиатора допамина в головном мозге. Исследователи, изучающие пограничные состояния в психиатрии, пытаются понять, как эти соединения влияют на человеческий рассудок.
По-прежнему нет ответа на фундаментальный вопрос о том, что же заставляет нейрон инициировать потенциал действия — выражаясь профессиональным языком нейрофизиологов, неясен механизм «запуска» нейрона. В этом отношении особенно интересны нейроны головного мозга, которые могут принимать нейромедиаторы, посланные тысячей соседей. Об обработке и интеграции этих импульсов почти ничего не известно, хотя над этой проблемой работают многие исследовательские группы. Нам известно лишь, что в нейроне осуществляется процесс интеграции поступающих импульсов и выносится решение, следует или нет инициировать потенциал действия и передавать импульс дальше. Этот фундаментальный процесс управляет функционированием всего головного мозга. Неудивительно, что эта величайшая загадка природы остается, по крайней мере сегодня, загадкой и для науки!
Источник
