Мозг наиболее сложно устроенный орган человека. Ведь он отвечает за работу всех органов, а также за множество сложнейших процессов, таких как память, мышление, чувства, речь. Кроме того, мозг человека отвечает и за сознание. Давайте разберемся, как работает мозг.
Мозг является центральным органом нервной системы. Расположен он в черепной коробке, которая защищает его от повреждений и воздействия температуры. У взрослого человека мозг весит в среднем 1,4 кг, внешне он похож на большой грецкий орех. Состоит мозг из серого и белого веществ, которые состоят из нервных клеток и нервных волокон. Нейроны подают и принимают электрические сигналы всем органам тела по сети нервных окончаний. Головной и спиной мозг, а также нервные окончания по всему телу составляют нервную систему человека.
Анатомически мозг состоит из трех главных частей – ствол мозга, полушария, мозжечок. Кроме того, в мозге есть железы внутренней секреции, такие как таламус и гипоталамус. Разберём функции и строение каждой части, чтобы лучше разобраться с тем, как работает мозг человека.
Полушария мозга
Полушария головного мозга являются его самой большой частью. Они составляют примерно 90% всего объема. Полушария делят мозг на две примерно равные части, соединенные плотной перемычкой – мозолистым телом. По структуре полушария состоят из серого и белого веществ. Серое вещество составляет поверхность мозга и состоит из сложно устроенных нервных клеток, которые генерируют электрические импульсы. А белое вещество, которое находится внутри полушарий, состоит из нервных волокон. Они передают сигналы по всему телу.
Сложное устройство полушарий головного мозга позволяет им отвечать за множество функций организма человека, большая часть которых относится к высшей психической деятельности, например, память, мышление и т.п. Физиологически это представляет собой чёткое разделение на зоны, которые внешне никак не заметы. Каждая зона отвечает за определенные функции человека. Подробно ознакомиться с тем, за что отвечают полушария, вы можете в одной из наших статей – " ".
Мозжечок
Мозжечок находится в задней части мозга, чуть ниже затылка. Мозжечок получает двигательные сигналы от полушарий, после чего сортирует их, конкретизирует и посылает сигналы в определенные мышцы или сухожилия. Мозжечок отвечает за движения, как отдельных мышц, так и за общую плавность и координацию движений человека.
Ствол мозга
Ствол мозга находится у основания и соединяет головной мозг со спинным. Ствол мозга, отвечает за жизненно важные автоматические процессы, такие как сердцебиение, пищеварение, температура тела, дыхание и т.п.
Гипоталамус и таламус
Гипоталамус - железа внутренней секреции, которая отвечает за множество сложных функций и проявлений человека. К примеру, он контролирует голод, сон, жажду, а также сильные эмоции – гнев, радость, страх. Расположен гипоталамус на вершине ствола мозга.
Таламус же в свою очередь, является координатором всех желез человека. Имея размер не больше, чем горошина, таламус регулирует выделение всех гормонов в организме.
Как работает мозг: внутренний процесс
На первый взгляд работа мозга кажется предельно простой. Нервные импульсы, поступают в одно полушарие, где они считываются и перерабатываются. Затем, они посылаются в нужную часть организма. Кстати говоря, сигналы, идущие с правой стороны тела, посылаются в левое полушарие.
В общем, можно сказать, что мозг – орган, контролирующий все процессы тела. С помощью нейронной сети он руководит телом, подобно дирижеру, указывая, что и какому органу нужно сделать.
Нейронная сеть человека, состоит из нервных клеток – нейронов. Они в своем строении имеют несколько входов – дендритов, и один выход – аксон. Можно сказать, что нейрон получает множество сигналов, суммирует их и выдает один общий выходной сигнал, который и передается дальше. Нейроны человека имеют способность «обучаться» - в ходе жизни, они могут изменять свою пороговую сумму сигналов. Когда нейроны увеличивают сумму сигналов - происходит обучение человека, а когда сумма сигналов уменьшается, у человека происходит забывание или потеря навыка.
Теперь вы знаете, как работает мозг. Считается, что мозг во много раз мощнее, чем любой из созданных компьютеров. В человеческом мозге порядка 100 млрд. нервных клеток, которые постоянно умирают и появляются, а также имеют свойство развиваться.
Для того чтобы мозг постоянно развивался, ему необходимо работать. Практические советы для этого вы можете найти в одной из наших статей - "
Любая концепция раскрывается через ряд принципов (от лат. principium - основание), в том числе и концепция взаимосвязи мозга и психики. В работах А.Р. Лурия, Е.Д. Хомской, О.С. Адрианова, Л.С. Цветковой, Н.П. Бехтеревой и др. суммируются основные принципы строения и работы мозга. Благодаря этим исследователям, в мозговой организации можно выявить как общие принципы строения и функционирования, характерные для всех макросистем, так и динамически изменяющиеся индивидуальные особенности этих систем.
А.Р. Лурия выделяет следующие принципы эволюции и строения мозга как органа психики:
- - принцип эволюционного развития, заключающийся в том, что на различных этапах эволюции отношения организма со средой и его поведение регулировались различными аппаратами нервной системы и, следовательно, мозг человека представляет собой продукт длительного эволюционного развития;
- - принцип сохранности древних структур, предполагающий, что прежние аппараты мозга сохраняются, уступая ведущее место новым образованиям и приобретая новую роль. Они все больше становятся аппаратами, обеспечивающими фон поведения;
- - принцип вертикального строения функциональных систем мозга, означающий, что каждая форма поведения обеспечивается совместной работой разных уровней нервного аппарата, связанных между собой как восходящими, так и нисходящими связями, превращающими мозг в саморегулирующуюся систему;
- - принцип иерархического взаимодействия разных систем мозга, согласно которому возбуждение, возникающее в периферических органах чувств, сначала приходит в первичные (проекционные) зоны, затем распространяется на вторичные зоны коры, которые играют интегрирующую роль, объединяя соматотопические проекции возникших на периферии возбуждений в сложные функциональные системы. Данный принцип, по сути, обеспечивает интегративную деятельность мозга;
- - принцип соматотопической организации первичных зон мозговой коры, по которому каждому участку тела соответствуют строго определенные пункты коры больших полушарий (точка в точку).
- - принцип функциональной организации коры отражающий взаимосвязь роли функции и ее проекции в коре больших полушарий мозга: чем большее значение имеет та или иная функциональная система, тем большую площадь занимает ее проекция в первичных отделах коры головного мозга. Иллюстрацией данного принципа являются известные схемы Пенфилда; мозг психика нейроанатомический
- - принцип прогрессивной кортиколизации, суть которого в том, что чем выше на эволюционной лестнице стоит животное, тем в большей степени его поведение регулируется корой и тем больше возрастает дифференцированный характер этих регуляций.
Кроме того, А.Р. Лурия указывал, на то, что, и формирование психической деятельности человека идет от простых к более сложным, опосредованным формам.
О.С. Адрианов, дополняя и развивая науку о мозге, сформулировал два принципа:
- - принцип многоуровневого взаимодействия вертикально организованных путей проведения возбуждения, что дает возможности для различных типов переработки афферентных сигналов;
- - принцип иерархического соподчинения различных систем мозга, благодаря которому уменьшается число степеней свободы каждой системы и становится возможным управление одного уровня иерархии другим.
Е.Д. Хомская, опираясь на современные представления об основных принципах организации мозга как субстрата психики, обосновывает два основных принципа теории локализации высших психических функций:
- - принцип системной локализации функций (каждая психическая функция опирается на сложные взаимосвязанные структурно-функциональные системы мозга);
- - принцип динамической локализации функций (каждая психическая функция имеет динамическую, изменчивую мозговую организацию, различную у разных людей и в разные возрасты их жизни).
Выделенные выше главные принципы структурно-функциональной организации мозга сформулированы на основе анализа нейроанатомических данных.
Самая большая загадка для ученых - не безграничность космоса или образование Земли, а человеческий мозг. Его возможности превышают способности любого современного компьютера. Мышление, прогнозирование и планирование, эмоции и чувства, наконец, сознание — все эти присущие человеку процессы, так или иначе, протекают в пределах небольшого пространства черепной коробки. Работа человеческого мозга и ее изучение связаны гораздо сильнее, чем любые другие объекты и способы исследования. В данном случае они практически совпадают. Мозг человека изучается при помощи мозга человека. Возможность понять протекающие в голове процессы фактически зависит от способностей «мыслительной машины» познавать саму себя.
Структура
Сегодня довольно много известно о строении головного мозга. Он состоит из двух полушарий, напоминающих половинки грецкого ореха, покрытых тонкой серой оболочкой. Это кора больших полушарий. Каждая из половинок условно поделена на несколько долей. Самые древние в эволюционном плане отделы мозга, лимбическая система и ствол, находятся под мозолистым телом, соединяющим два полушария.
Человеческий мозг состоит из клеток нескольких разновидностей. Большая часть из них — это глиальные клетки. Они выполняют функцию соединения остальных элементов в единое целое, а также принимают участие в усилении и синхронизации электрической активности. Примерно десятая часть клеток мозга — это нейроны различных форм. Они передают и принимают электрические импульсы при помощи отростков: длинных аксонов, транслирующих информацию от тела нейрона дальше, и коротких дендритов, принимающих сигнал от других клеток. Соприкасающиеся аксоны и дендриты образуют синапсы, места передачи информации. Длинный отросток выделяет в полость синапса нейромедиатор, химическое вещество, влияющее на работу клетки, оно попадает на дендрит и приводит к торможению или возбуждению нейрона. Сигнал передается по всем связанным клеткам. В результате очень быстро возбуждается или тормозится работа большого числа нейронов.
Некоторые особенности развития
Человеческий мозг, как и любой другой орган тела, проходит определенные стадии своего формирования. Ребенок появляется на свет, так сказать, не в полной боевой готовности: процесс развития мозга на этом не завершается. Наиболее активные его отделы в этот период находятся в древних структурах, отвечающих за рефлексы и инстинкты. Кора функционирует хуже, поскольку состоит из большого числа незрелых нейронов. С возрастом человеческий головной мозг утрачивает часть из этих клеток, зато приобретает множество прочных и упорядоченных связей между оставшимися. Погибают «лишние» нейроны, не нашедшие себе места в образовавшихся структурах. На сколько работает человеческий мозг, по-видимому, зависит от качества связей, а не от количества клеток.
Распространенный миф
Понимание особенностей развития головного мозга помогает определить несоответствие реальности некоторых привычных представлений о работе этого органа. Бытует мнение, что человеческий мозг работает на процентов 90-95 меньше, чем может, то есть используется примерно его десятая часть, а остальная таинственно дремлет. Если перечитать вышеизложенное, становится понятно, что не использующиеся нейроны не могут долго существовать — они погибают. Скорее всего, подобная ошибка — результат бытовавших некоторое время назад представлений, что работают только те нейроны, которые передают импульс. Однако в единицу времени в подобном состоянии находится лишь некоторые клетки, связанные с необходимыми сейчас человеку действиями: движением, речью, мышлением. Спустя несколько минут или часов им на смену приходят другие, ранее «молчавшие».
Таким образом, в течение определенного времени в работе тела участвует весь мозг, сначала одними своими частями, затем другими. Одновременная активация всех нейронов, которая подразумевает столь желанную многими 100% работу мозга, может привести к своеобразному короткому замыканию: человек будет галлюцинировать, испытывать боль и все возможные ощущения, содрогаться всем телом.
Связи
Получается, нельзя говорить, что какая-то часть мозга не работает. Однако способности человеческого мозга используются, действительно, не полностью. Дело, правда, не в «спящих» нейронах, а в количестве и качестве связей между клетками. Любое повторяющееся действие, ощущение или мысль закрепляются на уровне нейронов. Чем больше повторений, тем прочнее связь. Соответственно, более полноценное использование мозга предполагает построение новых связей. На этом построено обучение. Детский мозг еще не имеет стойких связей, они формируются и закрепляются в процессе знакомства ребенка с миром. С возрастом внести изменения в сложившуюся структуру становится все сложнее, поэтому дети легче обучаются. Тем не менее, при желании развить способности человеческого мозга можно в любом возрасте.
Невероятно, но факт
Способность образовывать новые связи и переобучаться дает поразительные результаты. Известны случаи, когда она преодолевала все грани возможного. Человеческий мозг — структура нелинейная. Со всей определенностью в нем нельзя выделить зоны, которые выполняют одну конкретную функцию и никакую больше. Более того, при необходимости части головного мозга могут брать на себя «обязанности» травмированных зон.
Так произошло с Говардом Рокетом, в результате инсульта обреченным на инвалидное кресло. Он не пожелал сдаваться и с помощью ряда упражнений пытался разрабатывать парализованные руку и ногу. В результате каждодневного упорного труда через 12 лет он смог не только нормально ходить, но и танцевать. Его головной мозг очень медленно и постепенно перенастроился таким образом, чтобы непострадавшие его части смогли выполнять функции, необходимые для нормального движения.
Паранормальные способности
Пластичность головного мозга - не единственная его особенность, поражающая ученых. Нейробиологи не обходят своим вниманием и такие явления, как телепатия или ясновидение. В лабораториях ставятся эксперименты, призванные доказать или опровергнуть возможность таких способностей. Исследования американских и английских ученых дают интересные результаты, позволяющие предположить, что их существование - не миф. Однако окончательного решения нейробиологи пока не вынесли: для официальной науки по-прежнему есть определенные грани возможного, человеческий мозг через них переступить, как считается, не может.
Работа над собой
В детстве по мере отмирания не нашедших себе «места» нейронов исчезает способность помнить все и сразу. Так называемая эйдетическая память встречается у малышей достаточно часто, у взрослых — это крайне редкий феномен. Однако человеческий мозг представляет собой орган и, как любая другая часть тела, он поддается тренировке. А значит, можно и память улучшить, и интеллект подтянуть, и творческое мышление развить. Важно только помнить, что развитие человеческого мозга — дело не одного дня. Тренировки должны быть регулярными независимо от поставленных целей.
Непривычно
Новые связи образуются в тот момент, когда человек делает что-то не как обычно. Простейший пример: на работу можно добраться несколькими путями, но по привычке мы всегда выбираем один и тот же. Задача — выбирать каждый день новую дорогу. Это элементарное действие принесет плоды: мозг будет вынужден не только определять путь, но и регистрировать новые визуальные сигналы, идущие от неизвестных ранее улиц и домов.
В число подобных тренировок можно отнести и использование левой руки там, где привычна правая (и наоборот, для левшей). Писать, печатать, держать мышку так неудобно, зато, как показывают эксперименты, уже спустя месяц таких тренировок значительно усилится творческое мышление и фантазия.
Чтение
О пользе книг нам говорят с самого детства. И это не пустые слова: чтение способствует повышению активности мозга в противоположность просмотру телевизора. Книги помогают развиваться фантазии. Под стать им действуют кроссворды, ребусы, игры на логику, шахматы. Они стимулируют мышление, заставляют нас пользоваться теми возможностями головного мозга, которые обычно не востребованы.
Физические упражнения
На сколько работает человеческий мозг, на всю мощность или нет, зависит и от нагрузки на все тело. Доказано, что физические тренировки за счет обогащения крови кислородом положительно сказываются на активности мозга. Кроме того, удовольствие, которое получает тело в процессе регулярных упражнений, улучшает общее состояние и настроение.
Существует большое число способов повысить активность головного мозга. Среди них есть и специально разработанные, и крайне простые, к которым мы, сами того не зная, прибегаем каждый день. Главное — это последовательность и регулярность. Если сделать каждое упражнение по разу, существенного эффекта не последует. Ощущение дискомфорта, возникающее вначале - не повод бросать, а сигнал, что это упражнение заставляет мозг работать.
История компьютерных наук в целом сводится к тому, что учёные пытаются понять, как работает человеческий мозг, и воссоздать нечто аналогичное по своим возможностям. Как именно учёные его исследуют? Представим, что в XXI веке на Землю прилетают инопланетяне, никогда не видевшие привычных нам компьютеров, и пытаются исследовать устройство такого компьютера. Скорее всего, они начнут с измерения напряжений на проводниках, и обнаружат, что данные передаются в двоичном виде: точное значение напряжения не важно, важно только его наличие либо отсутствие. Затем, возможно, они поймут, что все электронные схемы составлены из одинаковых «логических вентилей», у которых есть вход и выход, и сигнал внутри схемы всегда передаётся в одном направлении. Если инопланетяне достаточно сообразительные, то они смогут разобраться, как работают комбинационные схемы - одних их достаточно, чтобы построить сравнительно сложные вычислительные устройства. Может быть, инопланетяне разгадают роль тактового сигнала и обратной связи; но вряд ли они смогут, изучая современный процессор, распознать в нём фон-неймановскую архитектуру с общей памятью, счётчиком команд, набором регистров и т.п. Дело в том, что по итогам сорока лет погони за производительностью в процессорах появилась целая иерархия «памятей» с хитроумными протоколами синхронизации между ними; несколько параллельных конвейеров, снабжённых предсказателями переходов, так что понятие «счётчика команд» фактически теряет смысл; с каждой командой связано собственное содержимое регистров, и т.д. Для реализации микропроцессора достаточно нескольких тысяч транзисторов; чтобы его производительность достигла привычного нам уровня, требуются сотни миллионов. Смысл этого примера в том, что для ответа на вопрос «как работает компьютер?» не нужно разбираться в работе сотен миллионов транзисторов: они лишь заслоняют собой простую идею, лежащую в основе архитектуры наших ЭВМ.
Моделирование нейронов
Кора человеческого мозга состоит из порядка ста миллиардов нейронов. Исторически сложилось так, что учёные, исследующие работу мозга, пытались охватить своей теорией всю эту колоссальную конструкцию. Строение мозга описано иерархически: кора состоит из долей, доли - из «гиперколонок» , те - из «миниколонок» … Миниколонка состоит из примерно сотни отдельных нейронов.По аналогии с устройством компьютера, абсолютное большинство этих нейронов нужны для скорости и эффективности работы, для устойчивости ко сбоям, и т.п.; но основные принципы устройства мозга так же невозможно обнаружить при помощи микроскопа, как невозможно обнаружить счётчик команд, рассматривая под микроскопом микропроцессор. Поэтому более плодотворный подход - попытаться понять устройство мозга на самом низком уровне, на уровне отдельных нейронов и их колонок; и затем, опираясь на их свойства - попытаться предположить, как мог бы работать мозг целиком. Примерно так пришельцы, поняв работу логических вентилей, могли бы со временем составить из них простейший процессор, - и убедиться, что он эквивалентен по своим способностям настоящим процессорам, даже хотя те намного сложнее и мощнее.
На рисунке, приведённом чуть выше, тело
нейрона (слева) - небольшое красное пятнышко в нижней части; всё остальное - дендриты
, «входы» нейрона, и один аксон
, «выход». Разноцветные точки вдоль дендритов - это синапсы
, которыми нейрон соединён с аксонами других нейронов. Работа нейронов описывается очень просто: когда на аксоне возникает «всплеск» напряжения выше порогового уровня (типичная длительность всплеска 1мс, уровень 100мВ), то синапс «пробивается», и всплеск напряжения переходит на дендрит. При этом всплеск «сглаживается»: вначале напряжение за 5..20мс растёт до порядка 1мВ, затем экспоненциально затухает; таким образом, длительность всплеска растягивается до ~50мс.
Если несколько синапсов одного нейрона активизируются с небольшим интервалом по времени, то «разглаженные всплески», возбуждаемые в нейроне каждым из них, складываются. Наконец, если одновременно активны достаточно много синапсов, то напряжение на нейроне поднимается выше порогового уровня, и его собственный аксон «пробивает» синапсы связанных с ним нейронов.
Чем мощнее были исходные всплески, тем быстрее растут разглаженные всплески, и тем меньше будет задержка до активизации следующих нейронов.
Кроме того, бывают «тормозящие нейроны», активация которых понижает общее напряжение на связанных с ним нейронах. Таких тормозящих нейронов 15..25% от общего числа.
У каждого нейрона тысячи синапсов; но в любой момент времени активны не больше десятой части всех синапсов. Время реакции нейрона - единицы мс; такого же порядка задержки на распространение сигнала вдоль дендрита, т.е. эти задержки оказывают существенное влияние на работу нейрона. Наконец, пару соседних нейронов, как правило, связывает не один синапс, а порядка десятка - каждый с собственным расстоянием до тел обоих нейронов, а значит, с собственной длительностью задержки. На иллюстрации справа два нейрона, изображённые красным и синим, связаны шестью синапсами.
У каждого синапса своё «сопротивление», понижающее входящий сигнал (в примере выше - со 100мВ до 1мВ). Это сопротивление динамически подстраивается: если синапс активизировался сразу перед активацией аксона - то, видимо, сигнал с этого синапса хорошо коррелирует с общим выводом, так что сопротивление понижается, и сигнал будет вносить больший вклад в напряжение на нейроне. Если же синапс активизировался сразу после активации аксона - то, видимо, сигнал с этого синапса не имел отношения к активации аксона, так что сопротивление синапса повышается. Если два нейрона связаны несколькими синапсами с разной длительностью задержки, то такая подстройка сопротивлений позволяет выбрать оптимальную задержку, или оптимальную комбинацию задержек: сигнал начинает доходить именно тогда, когда от него больше всего пользы.
Таким образом, модель нейрона, принятая исследователями нейронных сетей - с единственной связью между парой нейронов и с мгновенным распространением сигнала от одного нейрона к другому - весьма далека от биологической картины. Кроме того, традиционные нейронные сети оперируют не временем отдельных всплесков, а их частотой : чем чаще всплески на входах нейрона, тем чаще будут всплески на выходе. Те детали устройства нейрона, которые отброшены в традиционной модели - существенны или несущественны они для описания работы мозга? Нейробиологи накопили огромную массу наблюдений об устройстве и поведении нейронов - но какие из этих наблюдений проливают свет на общую картину, а какие - лишь «детали реализации», и - как и предсказатель переходов в процессоре - не влияют ни на что, кроме эффективности работы? Джеймс считает, что именно временны́е характеристики взаимодействия между нейронами и позволяют приблизиться к пониманию вопроса; что асинхронность так же важна для работы мозга, как синхронность - для работы ЭВМ.
Ещё одна «деталь реализации» - ненадёжность нейрона: с некоторой вероятностью он может активизироваться спонтанно, даже если сумма напряжений на его дендритах не достигает порогового уровня. Благодаря этому, «обучение» колонки нейронов можно начинать с любого достаточно большого сопротивления на всех синапсах: вначале никакая комбинация активаций синапсов не будет приводить к активации аксона; затем спонтанные всплески приведут к тому, что понизится сопротивление синапсов, которые активизировались незадолго до этих спонтанных всплесков. Таким образом нейрон начнёт распознавать конкретные «паттерны» входных всплесков. Что самое важное, паттерны, похожие на те, на которых нейрон обучался, - тоже будут распознаваться, но всплеск на аксоне будет тем слабее и/или позднее, чем меньше нейрон «уверен» в результате. Обучение колонки нейронов получается намного эффективнее, чем обучение обычной нейронной сети: колонке нейронов не нужен контрольный ответ для тех образцов, на которых она обучается - фактически, она не распознаёт , а классифицирует входные паттерны. Кроме того, обучение колонки нейронов локализовано - изменение сопротивления синапса зависит от поведения лишь двух соединённых им нейронов, и никаких других. В результате этого, обучение приводит к изменению сопротивлений вдоль пути следования сигнала, тогда как при обучении нейронной сети веса изменяются в обратном направлении: от нейронов, ближайших к выходу - к нейронам, ближайшим ко входу.
Например, вот колонка нейронов, обученная распознавать паттерн всплесков (8,6,1,6,3,2,5) - значения обозначают время всплеска на каждом из входов. В результате обучения, задержки настроились на точное соответствие распознаваемому паттерну, так что напряжение на аксоне, вызываемое правильным паттерном, получается максимально возможным (7):
Та же самая колонка отреагирует на похожий входной паттерн (8,5,2,6,3,3,4) меньшим всплеском (6), причём напряжение достигает порогового уровня заметно позднее:
Наконец, тормозящие нейроны могут использоваться для реализации «обратной связи»: например, как на иллюстрации справа, - подавлять повторные всплески на выходе, когда вход длительное время остаётся активным; или подавлять всплеск на выходе, если он слишком задерживается по сравнению со входными сигналами, - чтобы сделать классификатор более «категоричным»; или, в нейросхеме для распознавания паттернов, разные колонки-классификаторы могут быть связаны тормозящими нейронами, чтобы активация одного классификатора автоматически подавляла все остальные классификаторы.
Распознавание изображений
Для распознавания рукописных цифер из базы MNIST (28x28 пикселей в оттенках серого) Джеймс из колонок-классификаторов, описанных выше, собрал аналог пятислойной «свёрточной нейросети» . Каждая из 64 колонок в первом слое обрабатывает фрагмент 5х5 пикселей из исходного изображения; такие фрагменты перекрываются. Колонки второго слоя обрабатывают по четыре выхода из первого слоя каждая, что соответствует фрагменту 8х8 пикселей из исходного изображения. В третьем слое всего четыре колонки - каждой соответствует фрагмент из 16х16 пикселей. Четвёртый слой - итоговый классификатор - разбивает все изображения на 16 классов: класс назначается в соответствии с тем, который из нейронов активизируется первым. Наконец, пятый слой - классический перцептрон, соотносящий 16 классов с 10 контрольными ответами.
Классические нейросети достигают на базе MNIST точности 99.5% и даже выше; но по утверждению Джеймса, его «гиперколонка» обучается за гораздо меньшее число итераций, благодаря тому, что изменения распространяются вдоль пути следования сигнала, а значит, затрагивают меньшее число нейронов. Как и для классической нейросети, разработчик «гиперколонки» определяет только конфигурацию соединений между нейронами, а все количественные характеристики гиперколонки - т.е. сопротивление синапсов с разными задержками - приобретаются автоматически в процессе обучения. Кроме того, для работы гиперколонки требуется на порядок меньшее число нейронов, чем для аналогичной по возможностям нейросети. С другой стороны, симуляция таких «аналоговых нейросхем» на электронном компьютере несколько затрудняется тем, что в отличие от цифровых схем, работающих с дискретными сигналами и с дискретными интервалами времени - для работы нейросхем важны непрерывность изменения напряжений и асинхронность нейронов. Джеймс утверждает, что шага симуляции в 0.1мс достаточно для корректной работы его распознавателя; но он не уточнял, сколько «реального времени» занимает обучение и работа классической нейросети, и сколько - обучение и работа его симулятора. Сам он давно на пенсии, и свободное время он посвящает совершенствованию своих аналоговых нейросхем.
Поводом написания данной статьи послужила публикация материала американских неврологов на тему измерения емкости памяти головного мозга человека, и представленная на GeekTimes днем ранее.
В подготовленном материале постараюсь объяснить механизмы, особенности, функциональность, структурные взаимодействия и особенности в работе памяти. Так же, почему нельзя проводить аналогии с компьютерами в работе мозга и вести исчисления в единицах измерения машинного языка. В статье используются материалы взятые из трудов людей, посвятившим жизнь не легкому труду в изучении цитоархитектоники и морфогенетике, подтвержденный на практике и имеющие результаты в доказательной медицине. В частности используются данные Савельева С.В. учёного, эволюциониста, палеоневролога, доктора биологических наук, профессора, заведующего лабораторией развития нервной системы Института морфологии человека РАН.
Прежде, чем преступить к рассмотрению вопроса и проблемы в целом, мы сформулируем базовые представления о мозге и сделаем ряд пояснений, позволяющих в полной мере оценить представленную точку зрения.
Первое что вы должны знать: мозг человека - самый изменчивый орган, он различается у мужчин и женщин, расовому признаку и этническим группам, изменчивость носит как количественный (масса мозга) так и качественный (организация борозд и извилин) характер, в различных вариациях эта разница оказывается более чем двукратной.
Второе: мозг самый энергозатратный орган в человеческом организме. При весе 1/50 от массы тела он потребляет 9% энергии всего организма в спокойном состоянии, например, когда вы лежите на диване и 25% энергии всего организма, когда вы активно начинаете думать, огромные затраты.
Третье: в силу большой энергозатраты мозг хитер и избирателен, любой энергозависимый процесс невыгоден организму, это значит, что без крайней биологической необходимости такой процесс поддерживаться не будет и мозг любыми способами старается экономить ресурсы организма.
Вот, пожалуй, три основных момента из далеко не полного списка особенностей мозга, которые понадобится при анализе механизмов и процессов памяти человека.
Что же такое память? Память – это функция нервных клеток. У памяти нет отдельной, пассивной эноргоне затратной локализации, что является излюбленной темой физиологов и психологов, сторонников идеи нематериальных форм памяти, что опровергается печальным опытом клинической смерти, когда мозг перестает получать необходимое кровоснабжение и примерно через 6 минут после клинической смерти начинаются необратимые процессы и безвозвратно исчезают воспоминания. Если бы у памяти был энергоне зависимый источник она могла бы восстановиться, но этого не происходит, что означает динамичность памяти и постоянные энергозатраты на ее поддержание.
Важно знать, что нейроны, определяющие память человека, находятся преимущественно в неокортоксе. Неокортекс содержит порядка 11млрд. нейронов и в разы больше глии. (Глия – тип клеток нервной системы. Глия является средой для нейронов глиальные клетки служат опорным и защитным аппаратом для нейронов. Метаболизм глиальных клеток тесно связан с метаболизмом нейронов, которые они окружают.
Неокортекс:
Глии, связи нейронов:
Хорошо известно, что в памяти информация хранится разное время, существуют такие понятия как долговременная и кратковременная память. События и явления быстро забываются, если не обновляются и не повторяются, что очередное подтверждение динамичности памяти. Информация определенным образом удерживается, но в отсутствии востребованности исчезает.
Как говорилось ранее, память – энергозависимый процесс. Нет энергии – нет памяти. Следствием энергозависимости памяти является нестабильность ее содержательной части. Воспоминания о прошедших событиях фальсифицируются во времени вплоть до полной неадекватности. Счета времени у памяти нет, но его заменяет скорость забывания. Память о любом событии уменьшается обратно пропорционально времени. Через час забывается ½ от всего попавшего в память, через сутки – 2/3, через месяц – 4/5.
Рассмотрим принципы работы памяти, исходя из биологической целесообразности результатов ее работы. Физические компоненты памяти состоят из нервных путей, объединяющих одну или несколько клеток. В них входят зоны градуального и активного проведения сигналов, различные системы синапсов и тел нейронов. Представим себе событие или явление. Человек столкнулся с новой, но достаточно важной ситуацией. Через определенные сенсорные связи и органы чувств человек получил различную информацию, анализ события завершился принятием решения. При этом человек доволен результатом. В нервной системе осталось остаточное возбуждение – движение сигналов по сетям, которые использовались при решении проблемы. Это так называемые «старые цепи» существовавшие до ситуации с необходимостью запоминать информацию. Поддержания циркуляции разных информационных сигналов в рамках одной структурной цепи крайне энергозатратно. Потому сохранение в пямяти новой информации обычно затруднительно. Во время повторов или схожих ситуациях могут образоваться новые синаптические связи между клетками и тогда полученная информация запомнится на долго. Таким образом, запоминание – это сохранение остаточной активности нейронов участка мозга.
Память мозга – вынужденная компенсаторная реакция нервной системы. Любая информация переходит во временное хранение. Поддержка стабильности кратковременной памяти и восприятия сигналов от внешнего энергетически крайне затратна, к тем же клеткам приходят новые возбуждающие сигналы и, накапливаются ошибки передачи и происходит перерасход энергетических ресурсов. Однако ситуация не так плоха, как выглядит. Нервная система обладает долговременной памятью. Зачастую она так трансформирует реальность, что делает исходные объекты неузнаваемыми. Степень модификации хранимого в памяти объекта зависит от времени хранения. Память сохраняет воспоминания, но изменяет их так, как хочется обладателю. В основе долговременной памяти лежат простые и случайные процессы. Дело в том, что нейроны всю жизнь формируют и разрушают свои связи. Синапсы постоянно образуются и исчезают. Довольно приблизительные данные говорят о том, что этот процесс спонтанного образования одного нейронного синапса может происходить у млекопитающих примерно 3-4 раза в 2-5 дней. Несколько реже происходит ветвление коллатералей, содержащих сотни различных синапсов. Новая полисинаптическая коллатераль формируется за 40-45 дней. Поскольку эти процессы происходят в каждом нейроне, вполне можно оценить ежедневную емкость долговременной памяти для любого из животных. Можно ожидать, что в коре мозга человека ежедневно будет образовываться около 800 млн. новых связей между клетками и примерно столько же будет разрушено. Долговременным запоминанием является включение в новообразованную сеть участков с совершенно не использованными, новообразованными контактами между клетками. Чем больше новых синаптических контактов участвует в сети первичной (кратковременной) памяти, тем больше у этой сети шансов сохраниться надолго.
Запоминание и забывание информации. Кратковременная память образуется на основании уже имеющихся связей. Её появление обозначено оранжевыми стрелками на фрагменте б. По одним и тем же путям циркулируют сигналы, содержащие как старую (фиолетовые стрелки), так и новую (оранжевые стрелки) информацию. Это приводит к крайне затратному и кратковременному хранению новой информации на базе старых связей. Если она не важна, то энергетические затраты на её поддержание снижаются и происходит забывание. При хранении «кратковременной», но ставшей нужной информации образуются новые физические связи между клетками по фрагментам а-б-в. Это приводит к долговременному запоминанию на основании использования вновь возникших связей (жёлтые стрелки). Если информация долго остаётся невостребованной, то она вытесняется другой информацией. При этом связи могут прерываться и происходит забывание по фрагментам в-б-а или в-a (голубые стрелки)."
Из выше сказанного ясно, что мозг динамическая структура, постоянно перестраивается и имеет определенные физиологические пределы, так же мозг чрезмерно энергозатратный орган. Мозг не физиологичен, а морфогенетичен, потому его активности некорректно и неправильно измерять в системах, используемых и применимых в информационных технологиях. Из за индивидуальной изменчивости мозга не представляется возможным делать какие либо выводы обобщающие различные функциональные показатели мозга человека. Математические методы так же не применимы в расчете структурного взаимодействия в работе мозга человека, из за постоянного изменения, взаимодействия и перестраивания нервных клеток и связей между ними, что в свою очередь доводит до абсурда работу американских ученых в исследовании емкости памяти головного мозга человека.
