Что такое нейронный контур
Что такое нейронный контур
а) Нейронный контур функциональной единицы коры мозжечка. В левой половине рисунка ниже показан также нейронный контур функциональной единицы, который с незначительными вариациями повторяется 30 млн раз в мозжечке.
Выходом из функциональной единицы является аксон клетки глубокого ядра. Эта клетка постоянно находится под возбуждающими и тормозными влияниями. Возбуждающее влияние является результатом прямых связей с афферентными волокнами, которые входят в мозжечок из головного мозга или с периферии. Тормозное влияние полностью связано с клеткой Пуркинье коры мозжечка.
Афферентные входы в мозжечок представлены главным образом волокнами двух типов, одни из которых называют лазающими волокнами, а другие — мшистыми волокнами.
Все лазающие волокна исходят из нижних олив продолговатого мозга. Одно лазающее волокно иннервирует 5-10 клеток Пуркинье. Отправив ветви к нескольким клеткам глубокого ядра, лазающее волокно продолжает путь к наружным слоям коры мозжечка, где оно формирует примерно 300 синапсов на соме и дендритах каждой клетки Пуркинье.
Отличительным признаком лазающего волокна является тот факт, что одиночный импульс этого волокна всегда вызывает в каждой клетке Пуркинье, с которой это волокно связано, одиночный длительный (до 1 сек) потенциал действия особого типа. Этот потенциал действия называют сложным спайком, и он состоит из первичного мощного колебания (спайка), вслед за которым возникают постепенно ослабевающие вторичные спайки.
Все другие волокна, входящие в мозжечок от множества источников (от высших уровней головного мозга, мозгового ствола и спинного мозга), относят к мшистым волокнам. Как и лазающие волокна, они посылают коллатерали для возбуждения клеток глубоких ядер. Затем мшистые волокна отправляются к слою зернистых клеток, где формируют синаптические связи с сотнями и тысячами зернистых клеток.
В свою очередь, зернистые клетки посылают чрезвычайно тонкие аксоны, менее 1 мкм в диаметре, вверх к молекулярному слою на наружной поверхности коры мозжечка. Здесь аксоны делятся на две ветви, которые распространяются на 1-2 мм в каждом направлении, параллельно складкам. Существуют много миллионов таких параллельных нервных волокон, поскольку на каждую клетку Пуркинье приходятся примерно 500-1000 зернистых клеток.
Сюда же в молекулярный слой проецируются дендриты клеток Пуркинье, и 80000-200000 параллельных волокон синаптически связываются с каждой клеткой Пуркинье.
Влияние мшистых волокон на клетки Пуркинье принципиально отличается от влияния лазающих волокон, поскольку их синаптические связи слабые, и большое количество мшистых волокон должно стимулироваться одновременно, чтобы возбудить клетку Пуркинье. Более того, возбуждение обычно принимает форму значительно более слабого, кратковременного потенциала действия клетки Пуркинье, называемого простым спайком, вместо длительного сложного потенциала, вызываемого входом лазающих волокон.
б) Клетки Пуркинье и клетки глубоких ядер постоянно генерируют импульсы в нормальных условиях покоя. Общей характеристикой клеток Пуркинье и клеток глубоких ядер является то, что в норме и те, и другие постоянно активны; клетки Пуркинье генерируют примерно 50-100 потенциалов действия в секунду, а частота импульсов клеток глубоких ядер гораздо выше. К тому же активность на выходе обоих типов клеток может изменяться в сторону усиления или угнетения.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Что такое нейронный контур
а) Нестабильность и стабильность нервных контуров. Почти каждый участок головного мозга прямо или косвенно связан с другим его участком, и это создает серьезную проблему. Если один участок возбуждает второй, второй — третий, третий — четвертый и т.д. до тех пор, пока сигнал не начинает снова возбуждать первый участок, ясно, что возбуждающий сигнал, входящий в любую часть мозга, может вызвать непрерывный цикл повторного возбуждения всех его частей.
Если бы это происходило, мозг переполнился бы массой неконтролируемых реверберирующих сигналов, не передающих никакой информации, но занимающих контуры мозга, в результате ни один из информационных сигналов не смог бы передаваться. Такой эффект возникает в обширных областях мозга во время эпилептических приступов. Как удается центральной нервной системе избегать такого развития событий?
Ответ основан главным образом на существовании двух основных механизмов, которые функционируют повсюду в центральной нервной системе:
(1) тормозные контуры;
(2) утомление синапсов.
б) Тормозные контуры как механизм стабилизации функций нервной системы. Чрезмерное распространение возбуждения в различных областях мозга помогает предотвратить два типа тормозных контуров:
(1) контуры с обратной тормозной связью между конечными отделами нервных путей и возбуждающими нейронами на их входе; такие контуры встречаются практически во всех сенсорных путях и при их чрезмерном возбуждении тормозят первичные нейроны, формирующие этот сенсорный путь, или вставочные нейроны по его ходу;
(2) нервные контуры, оказывающие мощные тормозные влияния на различные, широко распространенные области мозга.
Например, многие базальные ганглии осуществляют тормозной контроль всей системы управления деятельностью скелетных мышц.
Последовательные сгибательные рефлексы, демонстрирующие утомление проведения по рефлекторному пути
в) Синаптическое утомление как способ стабилизации нервной системы. Синаптическое утомление означает, что при длительном и интенсивном возбуждении синаптическая передача постепенно ослабевает. На рисунке выше представлены три последовательно полученные кривые, отражающие результаты регистрации сгибательного рефлекса, возникающего у животного при болевом раздражении подушечки его лапы.
Видно, что каждая кривая постепенно снижается, т.е. сила сокращения уменьшается; основная часть этого эффекта связана с утомлением синапсов в контуре сгибательного рефлекса. Более того, чем короче интервал между последовательными сгибательными рефлексами, тем меньше интенсивность последующего рефлекторного ответа.
1. Автоматическая кратковременная регуляции чувствительности нервных центров с помощью механизма утомления. Теперь применим феномен утомления к другим путям в мозге. Перегруженные центры обычно утомляются, и их чувствительность снижается. Наоборот, недогруженные центры успевают восстановиться, и их чувствительность возрастает. Таким образом, утомление и восстановление составляют важный кратковременный механизм регуляции чувствительности различных контуров нервной системы. С его помощью поддерживается диапазон чувствительности нервных контуров, необходимый для их эффективного функционирования.
2. Долговременные изменения синоптической передачи, связанные с автоматическим снижением или повышением количества синоптических рецепторов. Чувствительность синапсов может сильно и надолго изменяться путем увеличения числа рецепторных белков в синаптических участках мембраны при сниженной активности и уменьшения количества рецепторов при сверхактивности. Механизм этого явления заключается в следующем.
Рецепторные белки постоянно формируются эндоплазматическим ретикулумом и аппаратом Гольджи и постоянно встраиваются в синаптическую мембрану нейрона. Однако если синапсы сверхактивны и с рецепторными белками связывается избыточное количество медиатора, многие из этих рецепторов инактивируются и удаляются из синаптической мембраны.
Очень важно, что увеличение и уменьшение количества рецепторов, как и другие механизмы регуляции эффективности синаптической передачи, постоянно доводят чувствительность каждого контура до уровня, необходимого для его должного функционирования. Представьте только на мгновение, насколько серьезны были бы последствия аномального повышения чувствительности хотя бы некоторых из этих контуров.
В этом случае можно было бы ожидать развития почти непрерывных мышечных спазмов, судорог, психических нарушений, галлюцинаций, умственной напряженности или других нервных расстройств. Но, к счастью, чувствительность контуров автоматически регулируется, возвращаясь к управляемому диапазону реактивности всякий раз, когда активность контура становится слишком высокой или резко сниженной.
Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021
Нейронные сети (схемы, контуры).
Объединение большого числа нейронов в единую структуру, объединенную синаптическими связями. Врожденная способность создавать в мозге внутренние представления внешнего мира. По своей структуре схемы основываются на том, чем вы занимаетесь достаточно продолжительное время. Привычным чем чаще им пользуешься, тем более становится привычным.
Два вида нейронных сетей (связаны инверсно, обратно, противоположно):
1. Нейронная сеть непосредственного восприятия.
2. Нарритивная нейронная сеть (ненаправленной активности).
Нейронная сеть непосредственного восприятия.
При работе сети непосредственного восприятия некоторые другие отделы мозга задействуются намного сильнее. В число этих отделов входит, в частности, островок мозга – отдел, отвечающий за восприятие телесных ощущений. Активируется также передняя поясная кора – отдел, которому принадлежит ключевая роль в распознавании ошибок и переключении внимания. Этот нейронный контур активируется, когда внимание человека сосредоточивается непосредственно на поступающей извне информации, к примеру, на внешних или внутренних ощущениях. Когда активна сеть непосредственного восприятия, вы не думаете сосредоточенно ни о прошлом, ни о будущем, ни о других людях, ни о себе – вы вообще ни о чем конкретном не думаете. Скорее воспринимаете поступающую в органы чувств информацию непосредственно, в реальном времени. Восприятие мира более непосредственно (и получение при этом больше сенсорной информации). Это позволяет ближе подойти к реальности любого события и воспринять его намного полнее и точнее. Сеть непосредственного восприятия помогает получить больше информации (притом более точной) о происходящих вокруг событиях, а информация в реальном времени делает вашу реакцию на окружающий мир более гибкой. Кроме того, непосредственное восприятие мира помогает человеку освободиться от груза прошлого, от сковывающих привычек, ожиданий или предубеждений, позволяет воспринимать события такими, какие они есть, и непосредственно отзываться на них.
Нейронная сеть ненаправленной активности (нарративная схема, сеть по умолчанию).
Совокупность центральных областей мозга, включая среднюю часть префронтальной коры и связанные с ней подкорковые структуры, области памяти, такие как гиппокамп. Эта сеть активируется всякий раз, когда человек ничем особенно не занят, а также когда он думает о себе или о других людях. Поддерживает «нарратив» (повествование, сюжетная линия, в которой действующие лица взаимодействуют, друг с другом во времени). В мозге содержится огромное количество информации о вас самих и о жизненных историях других людей, ваших знакомых и близких. Когда сеть по умолчанию активна, вы думаете о своем прошлом и будущем – и обо всех известных вам людях, включая и вас самих, причем рассматриваете это гигантское информационное полотно в целом, во всех его переплетениях и взаимосвязях.
Вы пользуетесь нарративным контуром, когда занимаетесь планированием, целеполаганием, размышляете о прошлом или будущем, о себе или о других людях. Аналог сети по умолчанию, о которой также говорится в книге.
Внедрение – создание и закрепление в базальных ядрах нейронных контуров, способных автоматически управлять определенным поведением, а также воспоминаний, которые останутся с вами надолго.
Как поддерживать существование новых схем? Если вы хотите, чтобы какая-то конкретная новая схема сохранилась, очень важно регулярно её активировать.
Плотность внимания.
Можно охарактеризовать (и измерить) такими количественными понятиями, как частота, продолжительность, интенсивность или амплитуда. Формирование здоровых новых нейронных схем требует регулярного внимания. Развиваются те нейронные сети, на которые мы обращаем внимание.
Нейронные схемы мозга, отвечающие за удержание информации, планирование, рабочую память и решение когнитивных проблем, как правило, расположены в боковых, или внешних, отделах мозга. Однако в центральных отделах есть участки, ответственные за самосознание, познание общества и эмпатию. Две эти системы связаны обратной корреляцией: когда одна из них активна, активность другой, как правило, снижается. Если человек проводит много времени за решением когнитивных задач, его способность к эмпатии снижается – просто потому, что связанные с ней нейронные схемы почти не используются. Человек может создавать собственные схемы для объектов или событий, которые лично он считает ценным.
Узкое место возникает в том случае, когда одно непринятое решение задерживает все другие решения и заставляет их ожидать в очереди.
Цели.
Еще один пример схемы, которую создает сам человек, – постановка «цели». Движение к цели способно активировать в мозге общую позитивную реакцию (вперед). Ставя перед собой цель, вы одновременно создаете условия для возникновения позитивной (восходящей) или негативной (нисходящей) спирали. Цели, к которым стремятся, заставляют человека наглядно представлять то, чего он хочет достичь, и формировать вокруг этого связи. В общем, вы создаете новые связи. Интересно, что с такими целями вы начинаете чувствовать удовлетворение раньше, на более низком уровне. И пользу вы получаете раньше. Трудности приходят в голову гораздо быстрее, чем решения, человек всегда ставит перед собой негативные, а не позитивные цели. Кроме того, трудности очевидны и гораздо более конкретны, чем возможные, но неизвестные решения, а мозг естественным образом стремится к определенности и уверенности. По этим и другим причинам позитивные цели встречаются редко, а чтобы определить такую цель, иногда требуется помощь наставника или тренера. Между социальными и несоциальными способностями человека тоже, возможно, наблюдается отрицательная корреляция.
Умение стабильно и точно фокусировать внимание на работе собственного сознания дает возможность различать – а следовательно, и менять – неразличимые прежде способы возбуждения нейронов. Двигаясь таким путем, мы можем при помощи фокусировки сознания изменить режим работы, а в конечном итоге – и структуру собственного мозга. Мысли способны менять структуру и функции нашего мозга. Мозг может изменяться даже в короткие промежутки времени. Но изменения – дело непростое. Лишь один из девяти пациентов, перенесших операцию на сердце, смог после этого заметно изменить образ жизни, а ведь у этих людей была лучшая из всех возможных «мотиваций» – угроза смерти. Изменить поведение другого человека еще труднее. А уж целой группы людей тем более.
Внимание как таковое изменяет мозг. Мозг в состоянии покоя шумен и хаотичен, как оркестр, где каждый музыкант независимо от других настраивает свой инструмент. Если же человек сосредоточивает на чем-то свое внимание, оркестр начинает слаженно играть; звучит не просто шум, а музыка. В настоящее время многие нейробиологи рассматривают внимание как своеобразную синхронизацию – способ заставить мозг настроиться и работать в унисон, как единое целое.
Нейронная синхронизация.
Способ, с помощью которого различные участки мозга объединяются в большую схему и срабатывают одинаково и одновременно, если человек обращает на что-либо пристальное внимание. Нейронная синхронизация играет важную роль в объединении функциональных отделов мозга в единую систему. Излишняя нейронная активность – к примеру, при перевозбуждении от острого ощущения угрозы – не позволяет человеку сосредоточиться. Сила – в сосредоточении. Если сосредоточиться, многие области мозга объединяются в единую суперсхему, предназначенную для выполнения конкретной задачи. При формировании такой схемы в мозге нередко наблюдаются электрические волны гамма-ритма. Гамма-ритм – диапазон самых высоких частот мозга; при колебаниях этого диапазона электрическая активность мозга изменяется примерно 40 раз в секунду. Этот диапазон частот связан с осознанным поведением. (Альфа-ритм – низкие частоты, характерные для участков мозга в не слишком активном состоянии).Он активируется в моменты распознавания и озарения, во время медитаций и практики осознанности. Клетки, срабатывающие одновременно, связываются между собой. Сосредоточенность на какой-то мысли, действии или переживании помогает создавать в мозге сложные нейронные схемы, которые могут остаться с вами как единое целое, иногда навсегда. Мысль о том, что внимание – это сущность, активно участвующая в преобразовании мозга, подтверждается большим объемом исследований так называемой нейропластики – исследований того, как меняется мозг. Для восстановления двигательной активности руки необходимо, чтобы человек не просто ею двигал, а сосредоточил все свое внимание на программе реабилитации. Изменение способа сосредоточения внимания может изменить схемы мозга не только за несколько месяцев, но даже за несколько недель так, что это будет заметно при его сканировании.
Изучить иностранный язык относительно просто; нужно всего лишь перестать обращать внимание на схемы собственного языка и дать возможность сформироваться новым. Именно поэтому самый простой способ изучить французский язык состоит в том, чтобы переехать во Францию.
Мозг способен меняться. Он меняется постоянно; мало того, он меняется очень сильно – в зависимости от освещения, от погоды, от того, что вы едите, с кем разговариваете, как сидите, даже во что одеваетесь. По консистенции мозг похож на крем, а по структуре это скорее лес, чем компьютер: он живет, шуршит листьями, меняется. Мозг может меняться незаметно – и притом гораздо быстрее, чем мы думаем, едва ли не поминутно.
Для того чтобы изменить культуру – неважно, дома или на работе, достаточно помочь людям по-новому сосредоточить внимание на довольно продолжительное время. Изменение за счет внешнего влияния, как правило, воспринимается как угроза, то можно сделать вывод, что всякое реальное изменение происходит потому, что человек сам решил изменить свой мозг. Возможно, истинная причина изменений – это самонаправленная нейропластика, контроль и управление со стороны осознанности.
Как можно «стимулировать самонаправленную нейропластику» в крупном масштабе? Судя по всему, в изменениях подобного рода есть три ключевых компонента. Во-первых, необходимо создать безопасную среду, чтобы минимизировать реакцию на угрозу. Во-вторых, нужно помочь другим сосредоточить внимание именно на тех вещах, которые требуются для формирования необходимых связей. Наконец, чтобы поддерживать и укреплять свежесформированные нейронные контуры, нужно время от времени возвращать к ним внимание людей.
Хотя, на первый взгляд, изменить человека очень трудно, его мозг постоянно меняется.
Внимание изменяет мозг. Внимание очень легко переключается на угрозу.
Если удалось увести внимание от угрозы, то можно создавать новые связи при помощи верных вопросов. Для закрепления полученных изменений необходимо регулярно обращать внимание на новые нейронные схемы, особенно первое время. Главное здесь – внимание и повторение.
Модель SCARF.
Человек, попадая в тупик, обязательно чувствует тревогу, а она, как правило, сужает кругозор и повышает уровень электрических шумов, поэтому важно снизить тревожность и по возможности усилить положительные эмоции – иными словами, перевести мозг из состояния «прочь» в состояние «вперед». Сделать это позволяют элементы модели SCARF. Чтобы перевести человека в позитивное эмоциональное состояние, используйте элементы модели SCARF. Существует пять областей общественной жизни, которые мозг воспринимает как вопросы выживания. Модель, объединяющая пять областей общественной жизни, управляющих поведением человека. Каждая область в каждый конкретный момент времени может представлять собой либо угрозу, либо вознаграждение. В модель входят:
2. Certainty (уверенность).
3. Autonomy (самостоятельность).
4. Relatedness (общность).
5. Fairness (справедливость).
Статус.
Положение человека в обществе, членом которого он является. Аналог самоуважения, отнесенный к другим людям. Повышение статуса – вознаграждение; снижение статуса – сильная угроза.Одно из самых ценных своих жизненных приобретений для гоминида это общественный статус. Статус – один из главных двигателей социального поведения, помимо общности и справедливости. Статус – еще одно первичное подкрепление или угроза. Маркетологи используют два основных рычага, которые помогают затронуть человеческие эмоции рекламой: с одной стороны, это страх, а с другой – обещание повышения статуса. Несмотря на то, что корпорации изо всех сил пытаются сделать показателями статуса размер автомобиля или стоимость наручных часов, универсальной его шкалы не существует.Простой разговор с человеком, которому вы приписываете более высокий статус, – к примеру, со своим руководителем – запускает реакцию на угрозу вашему собственному статусу и всегда вызывает такое чувство, как будто это может привести к ужасным последствиям. Может последовать даже физиологическая реакция, включая увеличение кортизола в крови и активный приток ресурсов к составляющим лимбической системы, возбуждение которой снижает ясность мышления.
Когда человека исключают из какого-то сообщества, можно заметить явную активность в верхней передней части поясной коры его мозга. Этот же нейронный участок задействуется при болевых ощущениях; именно он отвечает за тот компонент боли, который иногда называют “элементом страдания”. У тех, кто сильнее других чувствует себя отверженным, наблюдаются максимальные уровни активности в этой области». Быть исключенным из сообщества и отверженным физически больно. Ощущение того, что ты хуже других, активирует те же области мозга, что и физическая боль. Социальная боль активирует пять разных областей, ответственных также за боль физическую.
Мы не любим быть неправыми, потому что неправота роняет наш статус, а это нервирует и воспринимается как опасность. Лимбическая система, будучи возбужденной, начинает формировать в мозге случайные связи и побуждает к пессимистическим мыслям.
Многие споры и конфликты на работе, как и вообще в жизни, имеют в своей основе вопросы статуса. Чем лучше у вас получается сразу же распознать такую угрозу и точно обозначить ее в реальном времени, тем проще будет провести переоценку и более адекватно отреагировать на событие. Во всем, что касается статуса, роль режиссера огромна.
ВВЕДЕНИЕ В КОГНИТИВНЫЕ НЕЙРОНАУКИ. Глава 3. Нейроны и связи между ними.
Глава 3. Нейроны и связи между ними.
Что мы знаем о процессах, происходящих на уровне нейронов? Можем ли мы сейчас построить непротиворечивую теорию относительно событий на этом уровне?
Основными клетками мозга являются нейроны, высококонсервативные с эволюционной точки зрения. Они сохранялись в относительно неизменном виде в течение многих сотен миллионов лет, и даже очень разные виды животных имеют одинаковые типы нейронов. Со многих точек зрения нейроны не отличаются от остальных клеток, но есть то, что выделяет их среди остальных: специализация на электрохимической сигнализации, благодаря которой они способны принимать входящий сигнал на дендритах и посылать электрохимический сигнал вдоль аксона. Весь мозг можно рассматривать как сверхсложную структуру, состоящую из связанных между собой нейронов.
Дендритами и аксонами называют выросты тела нейрона; один нейрон может иметь до десяти тысяч дендритов и один аксон.
Потенциал действия (ПД) проходит по аксону значительно медленнее, чем электрический ток в компьютере, однако многие задачи наш мозг выполняет гораздо лучше современных компьютеров. В настоящее время компьютеры далеко отстоят от человека в задачах восприятия, языковой коммуникации, семантической памяти, контроля движения и творчества.
Нейробиология концентрирует внимание на связи и взаимодействии нейронов. Рассмотрение таких связей удобно начинать как раз с генерализованного нейрона.
Классические нейроны соединяются при помощи синапсов, которые могут быть возбуждающими и тормозящими.
Активность нейрона опосредована десятками факторов — циклом сна и бодрствования, доступностью предшественников нейромедиаторов и многими другими. Все эти факторы влияют на вероятность прохождения сигнала между двумя нейронами и могут быть представлены в виде синаптических весов. Таким образом, все разнообразие нейронов можно с успехом представить в виде интегративного нейрона, а все способы межнейронной коммуникации — в форме вероятности прохождения сигнала между нейронами.
Существует по меньшей мере шесть основных нейромедиаторов и не менее тридцати «менее важных», в основном являющихся нейропептидами.
Даже дендриты отдельной клетки, по всей видимости, способны к обработке информации. Имеются также данные, что способна принимать участие в обработке информации и нейроглия — поддерживающая ткань нервной системы.
На настоящий момент известно о существовании в некоторых частях взрослого головного мозга стволовых клеток. Образование новых синапсов идет в течение всей жизни; для образования новых синапсов отростки дендритов способны образовываться за несколько минут.
1.3. Обработка информации нейронами.
Искусственные нейронные сети использовались для моделирования многих функций мозга — распознавания элементов изображений, управления роботами, обучения и улучшения функционирования на основе опыта.
Во многих случаях такие сети выполняли задачи лучше, чем компьютерные программы, основанные на логике и математике.
Так же, они помогают нам понять принципы работы реальных нейронных сетей в мозге.
Нейросети помогают нам понять работу нервной системы.
Так искусственные нейросети могут служить моделями для изучения реальных структур в мозге.
Мы ограничимся рассмотрением синапсов только двух типов — возбуждающего (повышающего вероятность прохождения ПД (Потенциал действия) на постсинаптическом нейроне) и тормозящего (понижающего такую вероятность).
Глутамат — наиболее распространенный медиатор в ЦНС — является возбуждающим.
ГАМК (гаммаАминоМасляная кислота) является наиболее распространенным тормозным медиатором.
В нервной системе распространены массивы нейронов, часто именуемые картами.
2.1. Упрощенный случай: рецепторы, пути и контуры.
Каждый сенсорный нерв может содержать несколько параллельных каналов, каждый из которых проводит несколько различающуюся информацию. Так, зрительный тракт имеет канал передачи цвета, называемый мелкоклеточным, и канал передачи формы и размеров объекта, называемый крупноклеточным.
Точно так же соматосенсорные пути сочетают каналы передачи прикосновения, давления, боли и некоторые другие.
Большинство сенсорных волокон оканчиваются в таламусе, где они передают сигнал нейронам, оканчивающимся в коре.
(рис. 3.10 и 3.11) 
Таким образом, в большинстве сигнальных путей существуют петли обратной связи — такие, как в нейросети с двумя или более слоями.
С этой точки зрения мозг представляется системой воздействующих друг на друга массивов и сетей.
Массивы нейронов представляет собой двумерную сеть нейронов.
Когда массивы соответствуют пространственной организации той или иной структуры, их называют картами.
В мозге имеет место как временное, так и пространственное кодирование, наряду со многими другими способами кодирования и обработки информации.
Пространственные карты являются наиболее наглядной формой пространственного кодирования.
Таким образом, даже информация от не ассоциированных с пространством органов чувств обрабатывается массивами и картами нейронов.
Наш мозг организует огромные количества входящей информации так, чтобы отражать положение окружающих объектов. Моторная кора, как вы можете догадаться, также выглядит как непропорциональная карта скелетных мышц тела.
Главным вопросом относительно сенсорики на сегодняшний день яляется вопрос о том, как осуществляется высокоуровневая обработка воспринятой информации. И модель нейросетей предоставляет один из возможных ответов.
Мозг постоянно корректирует работу моторных систем на основании сенсорной информации и адаптирует сенсорные системы при помощи моторной активности.
Сенсорные системы можно представить в виде иерархических систем, состоящих из иерархических систем низшего порядка, начиная с рецепторов и постепенно переходя ко все более сложным объектам.
Идет непрерывный обмен информацией между двумя системами в процессе цикла от восприятия до действия, начиная с наинизшего и заканчивая высшими уровнями планирования, мышления и анализа возможного развития событий
(рис. 3.20 Иерархическая система из области архитектуры).
В схеме иерархической системы обработки информации, каждый массив нейронов назван картой; карты существуют на разных уровнях, и сигнал может идти вверх, вниз и к другой карте того же уровня.
При рассмотрении электрической активности десятков миллиардов нейронов мозг поневоле начинает казаться огромным оркестром, а не одним инструментом. За сотни миллионов лет эволюции в мозге появились нейроны с самыми разными видами временного и пространственного кодирования (блок 3.1).
В путях следования информации имеется множество точек выбора, с которых она может быть направлена по нескольким различным путям или быть передана на уровень выше или ниже.
Если вернуться к ступенчатой пирамиде, то такой разветвленный путь похож на путь человека к вершине: он может достигнуть ее прямым или окружным путем.
Зрительная картина мира подвержена постоянным изменениям. Однако мозг тем не менее ведет обработку таких изменений. Животное не может позволить себе не заметить хищника, прячущегося в траве, только потому, что сейчас закат, или потому, что на него падает тень.
Для того чтобы выжить, мы должны были иметь превосходную зрительную систему.
Вот, например, кошка, выслеживающая жертву, может осматривать дерево только одним глазом, тогда как другой глаз остается пассивным. Это приводит к явлению бинокулярной конкуренции — конкуренции между зрительными входами от разных глаз.
Многие животные получают от разных глаз совершенно разные входы — такие животные, как кролики и олени, вообще не имеют участков перекрытия полей зрения, поэтому для них явление бинокулярной конкуренции невозможно.
Мозг постоянно имеет некоторые ожидания относительно встречаемых им внешних условий. Спускаясь по лестнице в темноте, мы ожидаем, что под ногой будет ступенька.
При анализе неоднозначно трактуемых объектов ожидание обусловливает выбор наиболее приемлемого варианта трактовки. Многие слова в языке имеют больше одного значения, поэтому, даже читая это, вы вынуждены иметь дело с неоднозначностями. Мозг опирается не только на входящую информацию — он имеет множество причин выбора того или иного варианта, основанных на предсказании результата и ожидании.
Селективное внимание позволяет нам динамически изменять свои сенсорные предпочтения, а долговременная память увеличивает силу синапсов, ответственных за точное восприятие.
Многие ученые считают, что всю кору целиком, наряду с сопутствующими областями, такими как таламус, следует рассматривать как одну функциональную единицу. Ее часто называют таламокортикальной системой.
Одним из основных свойств поведения животных является способность адаптироваться.
Основным свойством мозга, таким образом, является приспособляемость. Однако какие изменения в структуре самого мозга приводят к такой приспособляемости?
Для этих целей гораздо лучше подходят методы визуализации структур мозга, получившие интенсивное развитие в два прошедших десятилетия.
Хотя большая часть методов визуализации ориентирована на конкретную область, подчеркивая тем самым функциональное разделение, а не интеграцию, были предприняты попытки изучения обучения как системного процесса, включающего глобальные изменения структуры и функций мозга.
Развитие технологии магнитно-резонансной томографии позволило начать изучение изменений структурных компонентов связи — трактов белого вещества — под влиянием обучения.
Как было показано, обучение жонглированию вызывает изменения как в сером, так и в белом веществе мозга.
Данные результаты стали поистине революционными, поскольку долгие годы считалось, что структура мозга неизменна.
Подобные открытия, позволяющие рассматривать мозг как функционально и структурно лабильный орган, вне всякого сомнения являются шагом вперед в нашем понимании процесса обучения.
(4.0. Адаптация и обучение массивов нейронов).
Наиболее известное правило обучения нейросетей, выражаемое в лозунге «neurons that fire together, wire together».
Нейроны, которые срабатывают вместе, соединяются вместе.
(Обучение по Хэббу).
Дональд Хэбб в 1949 г. постулировал, что ассамблеи нейронов способны обучаться благодаря усилению связей между нейронами, активирующимися при стимуляции одновременно.
В основе обучения и памяти лежит эффективность синаптической связи.
Существует множество способов воздействия на эффективность синаптической передачи. Так, два нейрона могут образовать больше синапсов, в самих синапсах может вырабатываться больше нейромедиатора, рецепторы постсинаптического нейрона могут стать эффективнее.
В обучении задействовано два типа изменений; их можно рассматривать как усиленное возбуждение и усиленное торможение.
Долговременное усиление возбудимости одного нейрона называют долговременой потенциацией.
Долговременное понижение же — долговременной депрессией. Оба события имеют место в гиппокампе.
Визуально обучение по Хэббу можно представить в виде утолщения линий между узлами сети, как в простой совокупности клеток.
Модели с третьим, скрытым слоем позволяют нейросети изменять силу соединений.
Классическая трехслойная прямая сеть со скрытым слоем и настраиваемой силой взаимодействий может эффективно обучаться путем сопоставления выхода нейросети с желаемым выходом и подстройки силы соединений для достижения желаемого результата.
Процесс носит название обратного распространения ошибки обучения и во многом подобен отрицательной обратной связи.
Сети такого типа на сегодняшний день наиболее распространены.
В самоорганизующейся аутоассоциативной сети выход ставится в соответствие входу.
Такая стратегия полезна при распознавании паттернов, таких как звук знакомого голоса.
Самоорганизующиеся системы используются в природе для решения многих задач.
Сами организмы и их нервные системы можно рассматривать как самоорганизующиеся системы.
Самоорганизующаяся сеть способна справляться с фундаментальой проблемой распознавания человеческих лиц.
Человек учится реагировать на нормальные, недеформированные лица в очень ранний период жизни и вскоре становится способен отличать знакомые лица от незнакомых.
Задача, решаемая сетью, гораздо проще решаемой человеком, поскольку в модели происходит только формирование цепи.
Сеть способна обучаться предугадывать расположение рта в нижней части рисунка и двух глаз — в верхней.
4.2. Дарвинистский подход в нервной системе: выживают клетки и синапсы, наиболее приспособленные к данной задаче.
Нейральный дарвинизм предполагает, что нейроны развиваются и соединяются друг с другом в соответствии с дарвинистскими принципами.
Селекционизм — эффективный способ адаптации.
Отбор нейронов приводит к образованию долгоживущих нейронных совокупностей, выполняющих задачи адаптации, обучения, разпознавания паттернов и им подобные.
Нейросети отличаются высоким уровнем параллельности (что означает способность производить много разных вычислений одновременно) и распределенности (способности обрабатывать информацию в разных местах с использованием разных механизмов).
Это говорит о большей близости нейросетей к биологическим способам обработки информации.
Нейронные сети довольно просто перевести на язык математических выражений.
Нейросети способны обрабатывать символьную информацию, а символы могут быть переведены в нейросети.
Обучение нейросети проявляются по мере распознавания сетью входа и отсечения ею альтернативных вариантов.
Существует масса способов координации работы нейронов. Одним из них являются масштабные ритмы, координирующие работу больших групп нейронов так же, как дирижер координирует игру симфонического оркестра. Если большая масса нейронов активируется одновременно, то их активность, как правило, суммируется.
Современные данные говорят в пользу гораздо более быстрых гамма- и тета-корреляций на тех частотах, на которых мозг выполняет большую часть этой работы.
Ритмы энцефалограммы на сегодняшний день считаются сигнализирующими о разных, но скоординированных процессах.
К примеру, гамма-ритмы высокой плотности считаются ассоциированными с осознанным зрительным восприятием и процессом решения простой проблемы эквивалентности.
Альфа-ритмы традиционно ассоциируются с отсутствием задач, требующих фокусировки внимания, тогда как тета-ритмы, как полагают на настоящий момент, контролируют гиппокампальную область и фронтальную кору в процессе обращения к долговременной памяти. Дельта-ритмы — сигналы глубокого сна — группируют быструю нейрональную активность с целью консолидации полученных данных.
При проектировании самолета инженеры закладывают в его конструкцию некоторую функциональную избыточность на случай выхода из строя важнейших систем. Так, если откажет один двигатель, то большая часть самолетов будет способна дотянуть до взлетно-посадочной полосы на оставшихся.
Человек и животные также обладают определенной функциональной избыточностью.
Мозга это правило тоже касается. Мозг способен работать даже после получения весьма значительных повреждений.
Латеральное торможение является распространенной стратегией для выделения различий между двумя однородными областями сигнала, такими как темные пятна на светлом фоне.
Клетки сенсорных систем имеют так называемые рецептивные поля, настроенные на определенные параметры входа, такие как ориентация линии, цвет, движение, форма и тип объекта. При повышении уровня визуальных карт их разрешение падает, в то время как способность к интеграции информации растет.
Поскольку сенсорные и моторные системы изучают отдельно друг от друга, мозг представляется нам огромным сенсомоторным органом, делающим возможным непрерывные высокоуровневые взаимодействия между входом и выходом.
Пространственные массивы нейронов делают возможным пространственное кодирование, однако не стоит забывать о том, что в нервной системе имеется еще и кодирование временное. Основные ритмы энцефалограммы, как полагают, отвечают за временную координацию активности больших групп нейронов.
Последние исследования позволяют предположить, что гамма-ритм ответственен за интеграцию сенсорной информации осознанные ощущения, а тета-ритм — за извлечение информации из долговременной памяти.
Контрольные задания к этой главе.
1. Опишите основные функции интегративного нейрона.
2. Что такое латеральное торможение и какую роль оно играет в сенсорных системах?
3. Каким образом сенсорные и моторные системы можно рассматривать в форме иерархических структур?
4. Опишите роль двусторонних взаимодействий в функционировании мозга.
5. Что такое дарвинистский подход к нервной системе и какие аспекты процессов, происходящих в мозге, он затрагивает?
6. Назовите три наиболее общих свойства сенсорных систем.