Способы создания нейронных связей и обучение мозга человека — как вы мыслите, так вам и будет. Какое лекарство восстанавливает нейроны головного мозга? Нейроны и нервная ткань
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.
Факты о скорости 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.
Факты об энергии 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).
Факты о памяти 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.
Факты о кислороде 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.
Факты о работе 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.
Факты о 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.
Факты о количестве 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.
Факты о боли: 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.
Возможно, Вы видели в кино или слышали о том, что мозг человека используется им лишь на 10%. Кстати, данное утверждение приписывается даже Альберту Эйнштейну, который указывал на якобы малую деятельность нашего мозга. Но на самом деле это не соответствует действительности (если бы Эйнштейн знал, что на него наговаривают, то наверняка бы очень удивился).
Вот если эта цифра была бы 100%, то тогда люди обладали бы сверхспособностями. Так уверяют нас непонятно откуда взявшиеся слухи.
Почему же этот миф так долго живет и продолжает распространяться?
Мифы и заблуждения людей о мозге
Результаты исследований показывают, что 65% опрошенных людей считают этот миф правдой; а 5% думают, что эта цифра увеличивается, веря в эволюцию.
Даже телешоу «Разрушители мифов» несколько лет назад ошибочно исправило миф о 10% задействованного мозга на 35%.
Как и большинство легенд, происхождение этого вымысла не ясно, хотя есть некоторые догадки. Истоки идут от нейробиолога Сэма Вана (Sam Van) из Пристона автора книги «Добро пожаловать в Ваш мозг».
Возможно, это был Уильям Джеймс (William James), который вначале 20 века считался одним из самых влиятельных мыслителей психологии. Он говорил: «У людей есть неиспользовавшийся интеллектуальный потенциал».
Это вполне разумное утверждение позже возродилось в искаженной форме писателем Лоуэллом Томасом (Lowell Thomas) в 1936 году в своем предисловии к книге «Как завоевывать друзей и оказывать влияние на людей».
«Профессор Уильям Джеймс из Гарварда говорил, что средний человек развивает только 10 процентов его скрытой психической способности», пишет Томас. Похоже на то, что он или кто-то еще в свое время упомянул просто понравившееся ему число.
Указание на 10% явно является ложным по нескольким причинам.
На сколько процентов работает мозг человека?
Всем известен тот факт , что весь мозг активен все время . Мозг является органом. Его живые нейроны и клетки, которые в свою очередь поддерживаются этими нейронами, всегда вызывают активность. Вы когда-нибудь слышали про то, что селезенка используется лишь на 10%? Наверняка нет.
Вот как объясняет работу головного мозга человека профессор неврологии и психологии в Университете Нью-Йорка Джо Лед. Допустим, Вы смотрите видео изображение в сканере магнитно-резонансной томографии.
Некоторые участки мозга, отвечающие за слух или визуализацию, к примеру, сейчас активны больше чем другие участки. Их деятельность будет изображена в виде цветных пятен.
Эти сгустки значимой деятельности, как правило, занимают небольшие части мозга, даже меньше 10%. Поэтому может показаться не знающему человеку, что остальная часть мозга работает на «холостом ходу».
Однако Джо Лед утверждает, что мозг при небольших действиях определенных функций все равно работает на все 100%.
На самом деле утверждения «только определенная часть мозга» являются ошибочными. Когда наш мозг работает над обработкой информации, поступающей из глаз, ушей, органов обоняния, то сначала он думает каким участком обрабатывать эту информацию.
Все это говорит о том, что у мозга множество участков, отвечающих за определенную специализацию. Работать эти участки могут, в том числе и одновременно, что вполне может составлять до 100% работы мозга. Мозг — это сложная, многозадачная сеть ткани.
Разговоры о том, что в мозгу постоянно работает только одна часть, а остальные являются застоявшейся желейной массой, глупы.
Факты обмана: Мозг можно обмануть!
Хотелось бы вам изменить ваше видение мира или испытать галлюцинации? Люди, как правило, ассоциируют такие явления с приемом наркотиков, таких как ЛСД. Однако есть способы расширить свои границы восприятия и без того чтобы прибегать к запрещенным веществам. Все что нужно — это понять, как работает наш мозг.
Наш разум — это не зеркало того, что происходит вокруг. Большая часть того, что мы видим во внешнем мире исходит изнутри и является побочным продуктом того, как мозг обрабатывает ощущения. За последние годы ученые нашли несколько способов, которые раскрывают обманчивость наших органов чувств, и вот некоторые из них.
1. Процедура Ганцфелда
На первый взгляд это может показаться плохим розыгрышем. Процедура Ганцфелда является мягкой техникой сенсорной изоляции, которая впервые была предложена в экспериментальной психологии в 1930-х годах. Для этого эксперимента нужно настроить радио на помехи, лечь на диван и с помощью лейкопластыря прикрепить на глаза по половинке шариков от настольного тенниса . В течение минуты человек начинает испытывать галлюцинации. Некоторые люди видят лошадей, бегущих в облаках, другие слышат голос умершего родственника.
Все дело в том, что наш разум зависим от ощущений и когда их становится очень мало, наш мозг начинает изобретать свои собственные .
2. Уменьшение боли
Если вы вдруг слегка поранились, посмотрите на поврежденную часть с помощью перевернутого бинокля . В этом случае, боль должна уменьшиться.
Ученые из Оксфордского университета в эксперименте продемонстрировали, что если смотреть на раненную руку через дальний конец бинокля, это визуально уменьшает размер руки, а также боль и припухлость.
Это говорит о том, что даже основные ощущения такие как боль зависят от нашего видения.
3. Иллюзия Пиноккио
Для этого опыта нужно два стула и повязка на глаза. Человек с повязкой садится на заднем сидении, направив взгляд в направлении впереди сидящего человека. Затем тот, у кого завязаны глаза, протягивает руку и помещает ее на нос того, кто сидит впереди.
В то же время другой рукой он касается своего носа и начинает слегка поглаживать оба носа. Примерно через минуту, больше 50 процентов людей заявляют, что их нос удлиняется . Это называется эффект Пиноккио или проприорецепция.
4. Обман мышления
Поднимите правую ногу на несколько сантиметров от пола и начните двигать ее в направлении часовой стрелки. Пока вы это делаете, используйте указательный палец правой руки, чтобы нарисовать в воздухе цифру 6. Ваша нога начнет поворачиваться против часовой стрелки, и вы ничего не сможете с этим поделать.
Левая половина мозга, которая контролирует правую часть тела, отвечает за ритм и синхронность. Она не может справиться с работой двух противоположных движений в одно и то же время и сочетает их в одно движение .
5. Обман слуха
Этот трюк можно проделать с тремя людьми, один из которых будет подопытным, а другие два – наблюдателями. Также вам нужны будут наушники, присоединенные к двум пластиковым трубкам с двух сторон. Попросите испытуемого сесть на стул на равном удалении между двумя наблюдателями. Каждый наблюдатель по очереди говорит в трубку с соответствующей стороны. Слушатель в этом случае правильно определяет направление звука.
Если же поменяться трубками и начать говорить, то слушатель запутается, и будет указывать противоположное от звука направление .
Слуховая локализация — это способность человека определять направление на источник звука. Слуховая система человека наделена ограниченными возможностями определять расстояние источника звука, и основывается на межзвуковой разнице во времени. Когда вы меняете трубки, то задействуется восприятие нейронов с противоположной стороны мозга и человек не может определить источник звука.
6. Иллюзия резиновой руки
Больше десяти лет назад психологи обнаружили иллюзию, которая позволяет убедить человека в том, что резиновая рука является его собственной. Для этого опыта нужна резиновая рука или надутая резиновая перчатка, кусок картона и две кисточки. Поместите резиновую руку на стол перед собой, а свою руку спрячьте за картон. Попросите кого-то одновременно поглаживать настоящую и резиновую руку, используя одни и те же движения кисточками.
Через несколько минут у вас появится ощущение, будто искусственная рука стала вашей плотью . Если попросить другого человека ударить резиновую руку, человек почувствует беспокойство и боль, так как мозг убежден, что резиновая рука настоящая.
7. Звук, который слышен тем, кому до 20-ти
Этот звук – синусоида частотой 18 000 Герц слышна тем, кому еще нет 20-ти лет. Он используется некоторыми подростками в качестве рингтона на мобильном телефоне, чтобы другие люди не смогли услышать, звонит ли телефон.
По мере того, как человек становится старше, он теряет способность слышать звуки более высоких тонов и поэтому только молодые люди младше 20 способны его уловить.
8. Эффект Пуркинье
Ян Пуркинье – основатель современной нейронауки, будучи еще ребенком, обнаружил интересную галлюцинацию. Он закрыл глаза, повернул голову в сторону солнца и начал быстро водить рукой вперед-назад перед закрытыми глазами .
Через несколько минут, Пуркинье заметил разноцветные фигуры, которые становились все более замысловатыми.
Впоследствии ученые создали специальные очки, на которых загорался свет в определенной частоте. Такая стимуляция создает короткое замыкание в визуальной коре мозга, и клетки начинают «загораться» непредсказуемым образом, что ведет к появлению выдуманных изображений.
9. Обман восприятия света
Посмотрите в центральную точку (знак плюса) черно-белого изображения в течение, по крайней мере, 30-ти секунд, а затем отведите взгляд на стену , и вы увидите яркое пятно. Поморгайте несколько раз. Что вы видите?
Посмотрите на глаз красного попугая, пока медленно считаете до 20-ти, и затем быстро посмотрите в одну точку в пустой клетке. У вас перед глазами должно появиться туманное изображение сине-зеленой птицы в клетке. То же самое можно проделать с зеленым кардиналом и в клетке появится неотчетливый силуэт птицы пурпурного цвета.
Когда мы смотрим на изображение на протяжении какого-то времени, а затем заменяем его белым фоном, то появляется остаточный образ . Это объясняется тем, что фоторецепторы (палочки и колбочки) глаз устают, возникает дисбаланс информации и появляется послеобраз.
10. Иллюзия вращающегося силуэта
Посмотрите на вращающийся силуэт девушки. Вы видите, как он вращается по часовой или против часовой стрелки? Как правило, если вы видите как силуэт вращается в одном направлении, скажем против часовой стрелки, то вам сложно увидеть его в противоположном направлении.
На самом деле, это двухмерное изображение не вращается в каком-либо направлении, а сдвигается вперед — назад . Но наш мозг воспринимает его как трехмерное изображение и интерпретирует соответственно.
Если вы посмотрите вокруг изображения, сфокусировавшись на тени или другой части, вы сможете заставить свою визуальную систему перестроиться на другое направление.
Новые статьи и фотографии в рубрике "
В этой статье мы поговорим про нейроны мозга. Нейронами коры головного мозга является структурно-функциональная единица всей общей нервной системы.
Такая клетка обладает весьма сложным строением, высокой специализацией, а если говорить о ее структуре, то состоит клетка из ядра, тела и отростков. В организме человека в общей сложности существует приблизительно 100 миллиардов таких клеток.
Функции
Любые клетки, которые расположены в человеческом организме обязательно отвечают за те или иные его функции. Не исключением являются и нейроны.
Они, как и другие клетки головного мозга обязаны обеспечивать поддержание своей собственной структуры и некоторых функций, а также приспосабливаться к возможным изменениям условий, а соответственно осуществлять регулирующие процессы на клетки, которые находятся в непосредственной близости.
Главной функцией нейронов считается переработка важной информации, а именно ее получение, проведение, а потом и передача другим клеткам. Информация поступает благодаря синапсам, обладающих рецепторами сенсорных органов или какими-то иными нейронами.
Также в некоторых ситуациях передача информации может происходить и, непосредственно, из внешней среды при помощи, так называемых, специализированных дендритов. Проводится информация сквозь аксоны, а ее передача осуществляется синапсами.
Строение
Тело клетки . Эта часть нейрона считается самой главной и состоит из цитоплазмы и ядра, которые создают протоплазму, снаружи она ограничивается своеобразной мембраной, состоящей из двойного слоя липидов.
В свою очередь такой слой липидов, который еще принято называть биолипидным слоем, состоит из хвостов гидрофобной формы и таких же головок. Нужно отметить, что такие липиды находятся друг к другу хвостами, и таким образом создают некий своеобразный гидрофобный слой, который способен пропускать через себя исключительно вещества, растворяющиеся в жирах.
На поверхности мембраны расположены белки, которые имеют форму глобул. На таких мембранах расположены наросты полисахаридов, с помощью которых у клетки появляется хорошая возможность воспринимать раздражения внешних факторов. Также здесь присутствуют и интегральные белки, которые фактически насквозь пронизывают всю поверхность мембраны, а в них, в свою очередь, располагаются ионные каналы.
Нейроновые клетки коры головного мозга состоят из тел, диаметр колеблется в пределах от 5 до 100 мкм, которые содержат в себе ядро (имеющее множество ядерных пор), а также некие органеллы, в том числе и достаточно сильно развивающийся ЭПР шероховатой формы, обладающий активными рибосомами.
Также в состав каждой отдельной клетки нейрона входят и отростки. Существует два главных типа отростков – аксон и дендриты. Особенностью нейрона является и то, что он имеет развитый цитоскелет, который собственно способен проникать в его отростки.
Благодаря цитоскелету постоянно поддерживается необходимая и стандартная форма клетки, а его нити выполняют роль своеобразных «рельсов», с помощью которых транспортируются органеллы и вещества, которые упакованы в пузырьки мембран.
Дендриты и аксон . Аксон имеет вид достаточно длинного отростка, который отлично приспособлен к процессам, направленных на возбуждение нейрона от человеческого тела.
Дендриты выглядят совсем по-другому, уже хотя бы потому, что их длина гораздо меньшая, а также у них наблюдаются слишком развитые отростки, которые исполняют роль главного участка, где начинают появляться тормозные синапсы, способные таким образом влиять на нейрон, что в течение короткого периода времени нейроны человека возбуждаются.
Как правило, нейрон состоит из большего количество дендритов, в то время. Как присутствует всего один аксон. Один нейрон обладает связями с множеством других нейронов, иногда подобных связей существует около 20 000.
Делятся дендриты дихотомическим способом, в свою очередь аксоны способны давать коллатерали. В узлах ветвления практически в каждом нейроне находятся несколько митохондрий.
Стоит отметить также и тот факт, что у дендритов нет никакой миелиновой оболочки в то время, как аксоны могут таким органом располагать.
Синапсом называют место, где осуществляется контакт между двумя нейронами или же между эффекторной клеткой, которая получает сигнал и непосредственно нейроном.
Главной функцией такого составляющего нейрона является передача нервных импульсов между разными клетками, при этом частота сигнала может меняться в зависимости от темпов и типов передачи данного сигнала.
Нужно отметить, что некоторые синапсы способны вызывать деполяризацию нейрона, в тот момент как другие наоборот гиперполяризацию. Первый тип нейронов называют возбуждающими, а второй – тормозящими.
Как правило, для того, чтобы начался процесс возбуждения нейрона, в качестве раздражителей должны выступить сразу несколько возбуждающих синапсов.
Классификация
Согласно количеству и локализации дендритов, а также месторасположению аксона, нейроны головного мозга делятся на униполярные, биполярные, безаксонные, мультиполярные и псевдоуниполярные нейроны. Теперь хотелось бы рассмотреть каждый из таких нейронов более детально.
Униполярные нейроны обладают одним небольшим отростком, и чаще всего находятся в сенсорном ядре так называемого тройничного нерва, расположенного в средней части мозга.
Безаксонные нейроны имеют маленькие размеры и локализованы в непосредственной близости от спинного мозга, а именно в межпозвоночных галлиях и не имеют совершенно никаких делений отростков на аксоны и дендриты; все отростки имеют практически одинаковый вид и каких-то серьезных отличий между ними не существует.
Биполярные нейроны состоят из одного дендрита, который находятся в специальных сенсорных органах, в частности в сетке глаза и луковице, а также только одного аксона;
Мультиполярные нейроны имеют в собственной структуре несколько дендритов и один аксон, и находятся в центральной нервной системе;
Псевдоуниполярные нейроны считаются своеобразными в своем роде, так как сначала отходит от главного тела всего один отросток, который постоянно делится на несколько других, а встречаются подобные отростки исключительно в спинальных ганглиях.
Существует также классификация нейронов согласно функциональному принципу. Так, по таким данным различают эфферентные нейроны, афферентные, двигательные, а также интернейроны.
Эфферентные нейроны имеют в своем составе неультиматные и ультиматные подвиды. Кроме того, к ним относятся и первичные клетки чувствительных органов человека.
Афферентные нейроны . К нейронам данной категории относятся как первичные клетки чувствительных человеческих органов, так и псевдоуниполярные клетки, которые обладают дендритами со свободными окончаниями.
Ассоциативные нейроны . Главной функцией этой группы нейронов является осуществление связи между афферентными эфферентными видами нейронов. Такие нейроны делят на проекционные и комиссуральные.
Развитие и рост
Нейроны начинают развиваться из небольшой клетки, которая считается его предшественницей и перестает делиться еще до того момента, как образуются первые собственные отростки.
Нужно отметить, что в нынешнее время ученые еще не до конца изучили вопрос, касающейся развития и роста нейронов, но постоянно работают в данном направлении.
В большинстве случаев сначала начинают развиваться аксоны, а после этого дендриты. На самом конце отростка, который начинает уверенно развиваться образовывается утолщение специфической и несвойственной для такой клетки формы, и таким образом прокладывается путь сквозь ткань, окружающую нейроны.
Такое утолщение принято называть конусом роста нервных клеток. Данный конус состоит из некоторой уплощенной части отростка нервной клетки, которая в свою очередь создана из большого количества довольно тонких шипов.
Микрошипики обладают толщиной от 0,1 до 0,2 микромикрон, а в длину могут достигать отметки и 50 мкм. Если говорить непосредственно о плоской и широкой области конуса, то надо отметить, что ей свойственно менять собственные параметры.
Между микрошипами конуса присутствуют некоторые промежутки, которые полностью покрыты складчатой мембраной. Микрошипики двигаются на постоянной основе, благодаря чему, в случае поражения, нейроны восстанавливаются и приобретают необходимую форму.
Хотелось бы отметить, что каждая отдельная клетка движется по-своему, так если одна из них будет удлиняться или расширяться, то вторая может отклоняться в разные стороны или даже прилипать к субстрату.
Конус роста полностью заполнен мембранными пузырьками, которые характеризируются слишком мелкими размерами и неправильной формой, а также соединениями друг с другом.
Кроме того, в конусе роста находятся нейрофиламенты, митохондрии, а также микротрубочки. Такие элементы имеют способность двигаться с огромной скоростью.
Если сравнивать скорости передвижения элементов конуса и непосредственно самого конуса, то необходимо подчеркнуть, что они приблизительно одинаковы, а поэтому можно сделать вывод, что в период роста не наблюдается ни сборки, ни каких-то нарушений микротрубочек.
Наверное, новый мембранный материал начинает добавляться уже в самом конце процесса. Конус роста – это участок довольно быстрого эндоцитоза и экзоцитоза, что подтверждают большое количество пузырьков, которые здесь расположены.
Как правило, росту дендритов и аксонов предшествует момент миграции нейронных клеток, то есть тогда, когда незрелые нейроны фактически расселяются и начинают существовать на одном и том же постоянном месте.
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.
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
Нервная система представляется наиболее сложной частью человеческого организма. В ее состав включаются около 85 миллиардов нервных и глиальных клеток. На сегодняшний день ученым удалось исследовать всего лишь 5 % нейронов. Другие 95% до сих пор остаются загадкой, поэтому проводятся многочисленные исследования данных компонентов мозга человека.
Рассмотрим, как устроен мозг человека, а именно его клеточную структуру.
Строение нейрона составляют 3 основные составляющие части:
1. Клеточное тело
Данная часть нервной клетки является ключевой, в состав которой входит цитоплазма и ядра, в совокупности создающие протоплазму, на поверхности которого образуется мембранная граница, состоящая из двух слое липидов. На мембранной поверхности находятся белки, представляющие форму глобул.
Нервные клетки коры состоят из тел, содержащих в себе ядро, а также ряд органелл, включая интенсивно и эффективно развивающуюся площадь рассеивания шероховатой формы, которая обладает активными рибосомами.
2. Дендриты и аксон
Аксон представляется продолжительным отростком, который эффективно приспосабливается к возбуждающим процессам от тела человека.
Дендриты имеют совсем иную анатомическую структуру. Их главное отличие от аксона то, что они имеют значительно меньшую длину, а также характеризуются наличием аномально развитых отростков, которые выполняют функции основного участка. В этом участке начинают возникать тормозящие синапсы, благодаря чему существует способность непосредственно влиять на сам нейрон.
Значительная часть нейронов в больше степени состоит из дендритов, при этом имеется всего один аксон. Одна нервная клетка имеет множество связей с другими клетками. В некоторых случаях количество данных связей превышает 25000.
Синапс – это место, где формируется контактный процесс между двумя клетками. Основной функцией является передача импульсов между различными клетками, при этом частота сигнала может изменяться в зависимости от скорости и типов передачи этого сигнала.
Как правило, чтобы начался возбуждающий процесс нервной клетки, в роли раздражителей могут выступить несколько возбуждающих синапсов.
Что собой представляет тройной мозг человека
Еще в 1962 году ученый-нейробиолог Пол Маклин выделил три мозга человека, а именно:
- Рептильный
Этот рептильный тип мозга человека существует более чем 100 млн. лет. Он оказывает значительное влияние на поведенческие качества человека. Его главной функцией является управление базовым поведением, которое включает в себя такие функции как:
- Размножение на основе человеческих инстинктов
- Агрессия
- Желание все контролировать
- Следовать определенным шаблонам
- Имитировать, обманывать
- Бороться за влияние над другими
Также рептильный головной мозг человека характеризуется такими особенностями как хладнокровие по отношению к другим, отсутствием сопереживания, полное безразличие к последствиям своих действий, в отношении к другим. Также данный тип не способен распознавать воображаемую угрозу с реальной опасностью. Вследствие этого, в некоторых ситуациях, данный мозг полностью подчиняет разум и тело человека.
- Эмоциональный (лимбическая система)
Представляется мозгом млекопитающего, возраст которого составляет около 50 млн. лет.
Отвечает за такие функциональные особенности особи как:
- Выживание, самосохранение и самозащита
- Управляет социальным поведением, включая материнскую заботу и воспитание
- Учавствует в регулировании функций органов, обоняния, инстинктивного поведения, памяти, состояния сна и бодрствования и ряда других
Данный мозг практически полностью идентичен мозгу животных.
- Визуальный
Является мозгом, выполняющим функции нашего мышления. Другими словами это рациональный разум. Является наиболее молодой структурой, возраст которой не превышает 3 млн. лет.
Представляется тем, что мы именуем рассудком, который включает в себя такие способности как;
- Размышлять
- Проводить умозаключения
- Способность анализировать
Выделяется наличием пространственного мышления, где возникают свойственные визуальные изображения.
Классификация нейронов
На сегодняшний день выделяется ряд классификация нейронных клеток. Одна из распространенных классификаций нейронов выделяется по числу отростков и месту их локализации, а именно:
- Мультиполярные. Данные клетки характеризуются большим скоплением в ЦНС. Представляются с одним аксоном и несколькими дендритами.
- Биполярные. Характеризуются одним аксоном и одним дендритом и располагаются в сетчатке глаза, обонятельной ткани, а также в слуховом и вестибулярном центре.
Также в зависимости выполняемых функций, нейроны подразделяются на 3 большие группы:
1. Афферентные
Отвечают за процесс передачи сигналов от рецепторов в отдел ЦНС. Различаются как:
- Первичные. Первичные располагаются в спинальных ядрах, которые связываются с рецепторами.
- Вторичные. Находятся в зрительных буграх и выполняют функции передачи сигналов в вышележащие отделы. Данный тип клеток не вступает в связь с рецепторами, а принимают сигналы от клеток-нейроцитов.
2. Эфферентные или двигательные
Этот тип формирует передачу импульса к остальным центрам и органам человеческого организма. Например, нейроны двигательной зоны больших полушарий – пирамидные, которые передают сигнал моторным нейронам спинномозгового отдела. Ключевая особенность моторных эфферентных нейронов – это наличие аксон значительной протяженности, обладающий высокой скоростью передачи сигнала возбуждения.
Эфферентные нервные клетки разных отделов мозговой коры связывают между собой эти отделы. Эти нейронные связи головного мозга обеспечивают отношения внутри полушарий и между ними, следовательно, которые отвечают за функционирование мозга в процессе обучения, распознавания объектов, утомляемости и т. п.
3. Вставочные или ассоциативные
Данный тип осуществляет взаимодействие между нейронами, а также обрабатывает данные, которые были переданы от чувствительных клеток и затем передают ее другим вставочным или моторным нервным клеткам. Эти клетки представляются меньшим размером, в сравнении с афферентными и эфферентными клетками. Аксоны представлены небольшой протяженностью, однако сеть дендритов довольно обширна.
Специалисты сделали вывод, что непосредственными нервными клетками, которые локализованы в головном мозге, являются ассоциативные нейроны мозга, а остальные регулируют деятельность мозга вне его самого.
Восстанавливаются ли нервные клетки
Современная наука уделяет достаточно внимания процессам гибели и восстановления нервных клеток. Весь организм человека имеет возможность восстанавливаться, но имеют ли такую возможность нервные клетки мозга?
Еще в процессе зачатия организм настраивается на отмирание нервных клеток.
Ряд ученых утверждает, что количество отираемых клеток составляет около 1% в год. Исходя из этого утверждения, получается, что головной мозг уже износился бы вплоть до потери способностей выполнять элементарные вещи. Однако такого процесса не происходит, и мозг продолжает функционировать до самой своей смерти.
Каждая ткань организма самостоятельно восстанавливает себя путем деления «живых» клеток. Однако после ряда исследований нервной клетки люди установили, что клетка не делится. Утверждается, что новые клетки головного мозга образуются вследствие нейрогенеза, который запускается еще во внутриутробном периоде и продолжается на протяжении всей жизни.
Нейрогенез – это синтез новые нейронов с предшественников – стволовых клеток, которые впоследствии дифференцируются и формируются в зрелые нейроны.
Такой процесс был впервые описан в 1960 году, однако в то время данный процесс ничем подкреплялся.
Дальнейшие исследования подтвердили, что нейрогенез может происходить в определенных мозговых областях. Одной из таких областей выступает пространство вокруг мозговых желудочков. Ко второму участку можно отнести гиппокамп, который располагается непосредственно возле желудочков. Гиппокамп, выполняет функции нашей памяти, мышления и эмоций.
Вследствие этого способности к запоминанию и размышлению формируются в процессе жизнедеятельность под влиянием различных факторов. Как можно отметить из вышесказанного, наш головного мозг, определение структур которого, хоть и было выполнено всего на 5%, все же выделяется ряд фактов, которые подтверждают способность нервных клеток восстанавливаться.
Заключение
Не стоит забывать, что для полноценного функционирования нервных клеток следует знать, как улучшить нейронные связи головного мозга. Многие специалисты отмечают, что главный залог здоровых нейронов – это здоровое питание и образ жизни и только затем может использоваться дополнительная фармакологическая поддержка.
Организуйте свой сон, откажитесь от алкоголя, курения и в конечном итоге ваши нервные клетки скажут вам спасибо.
