Mozek je nejsložitější organizovaný orgán osoba. Koneckonců, je zodpovědný za práci všech orgánů, stejně jako mnoho složité procesy, jako je paměť, myšlení, pocity, řeč. Kromě toho je lidský mozek také zodpovědný za vědomí. Pojďme zjistit, jak funguje mozek.
Mozek je centrální orgán nervového systému. Nachází se v lebce, což ji chrání před poškozením a vystavením teplotám. Mozek u dospělého člověka váží v průměru 1,4 kg a vzhledem vypadá jako velký ořech. Mozek se skládá z šedé a bílé hmoty, které se skládají z nervové buňky A nervových vláken. Neurony vysílají a přijímají elektrické signály do všech orgánů těla prostřednictvím sítě nervových zakončení. Mozek a mícha, stejně jako nervová zakončení v celém těle tvoří lidský nervový systém.
Anatomicky se mozek skládá ze tří hlavních částí – mozkový kmen, hemisféry a mozeček. Kromě toho jsou v mozku žlázy vnitřní sekrece, jako je thalamus a hypotalamus. Podívejme se na funkce a strukturu jednotlivých částí, abychom lépe pochopili, jak funguje lidský mozek.
Hemisféry mozku
Hemisféry mozku jsou jeho největší částí. Tvoří přibližně 90 % celkového objemu. Hemisféry rozdělují mozek na dvě přibližně stejné části, spojené hustým mostem - corpus callosum. Strukturu hemisfér tvoří šedá a bílá hmota. Šedá hmota tvoří povrch mozku a je tvořena složitými nervovými buňkami, které generují elektrické impulsy. A bílá hmota, který se nachází uvnitř hemisfér, se skládá z nervových vláken. Přenášejí signály do celého těla.
Složitá struktura mozkových hemisfér jim umožňuje být zodpovědné za mnoho funkcí lidského těla, z nichž většina se týká vyšších duševní aktivita například paměť, myšlení atd. Fyziologicky to představuje jasné rozdělení do zón, které nejsou zvenčí patrné. Každá zóna je zodpovědná za určité lidské funkce. Více o tom, za co jsou hemisféry zodpovědné, se dozvíte v jednom z našich článků – „“.
Mozeček
Cerebellum se nachází v zadní části mozku, těsně pod zadní částí hlavy. Mozeček přijímá motorické signály z hemisfér, načež je třídí, konkretizuje a vysílá signály do konkrétních svalů nebo šlach. Mozeček je zodpovědný za pohyby jak jednotlivých svalů, tak za celkovou plynulost a koordinaci pohybů člověka.
Mozkový kmen
Mozkový kmen je v základně a spojuje mozek s míchou. Mozkový kmen je zodpovědný za životně důležité automatické procesy, jako je srdeční tep, trávení, tělesná teplota, dýchání atd.
Hypotalamus a thalamus
Hypotalamus je endokrinní žláza, která je zodpovědná za mnohé komplexní funkce a lidské projevy. Například ovládá hlad, spánek, žízeň a silné emoce- vztek, radost, strach. Hypotalamus se nachází v horní části mozkového kmene.
Thalamus je zase koordinátorem všech lidských žláz. Talamus není větší než hrášek a reguluje uvolňování všech hormonů v těle.
Jak funguje mozek: vnitřní proces
Práce mozku se na první pohled zdá nesmírně jednoduchá. Nervové impulsy, vstupují do jedné hemisféry, kde se čtou a zpracovávají. Poté jsou odeslány do požadované části těla. Mimochodem, signály přicházející z pravá strana těla jsou posílána do levé hemisféry.
Obecně lze říci, že mozek je orgán, který řídí všechny procesy v těle. S pomocí neuronové sítě řídí tělo jako vodič a naznačuje, co a který orgán musí udělat.
Lidská neuronová síť se skládá z nervových buněk – neuronů. Ve své struktuře mají několik vstupů - dendritů a jeden výstup - axon. Můžeme říci, že neuron přijímá mnoho signálů, sčítá je a vytváří jeden společný výstupní signál, který je přenášen dále. Lidské neurony mají schopnost „učit se“ – v průběhu života mohou měnit své prahové množství signálů. Když neurony zvýší součet signálů, člověk se učí, a když se součet signálů sníží, člověk zapomene nebo ztratí dovednost.
Nyní víte, jak funguje mozek. Předpokládá se, že mozek je mnohokrát výkonnější než jakýkoli počítač, který kdy byl vytvořen. V lidském mozku je asi 100 miliard nervových buněk, které neustále umírají a objevují se a také mají tendenci se vyvíjet.
Aby se mozek neustále vyvíjel, potřebuje pracovat. Praktické rady k tomu můžete najít v jednom z našich článků - "
Jakýkoli koncept se odhaluje prostřednictvím řady principů (z latinského principium – základ), včetně konceptu vztahu mezi mozkem a psychikou. V dílech A.R. Luria, E.D. Chomsky, O.S. Adrianová, L.S. Tsvetková, N.P. Bekhtereva a další shrnují základní principy stavby a fungování mozku. Díky těmto výzkumníkům je možné v organizaci mozku identifikovat jak obecné zásady struktura a fungování, charakteristické pro všechny makrosystémy a dynamicky se měnící individuální vlastnosti tyto systémy.
A.R. Luria zdůrazňuje následující zásady vývoj a struktura mozku jako orgánu psychiky:
- - princip evolučního vývoje, který spočívá v tom, že v různých fázích evoluce byly vztahy organismu s prostředím a jeho chování regulovány různými aparáty nervového systému, a proto je lidský mozek produktem dlouhého trvání. evoluční vývoj;
- - princip zachování starověkých struktur, který předpokládá, že bývalé mozkové aparáty jsou zachovány a ustupují přední místo nové formace a získávání novou roli. Stále více se stávají aparáty, které poskytují zázemí pro chování;
- - princip vertikální struktury funkčních systémů mozku, to znamená, že každá forma chování je zajištěna společnou prací různé úrovně nervový aparát, propojený jak vzestupnými, tak sestupnými spoji, přeměňující mozek v samoregulační systém;
- - princip hierarchické interakce různé systémy mozku, podle kterého vzruch vznikající v periferních smyslových orgánech přichází nejprve do primárních (projekčních) zón, poté se šíří do sekundárních zón kůry, které hrají integrační roli, spojují somatotopické projekce vzruchů vznikajících na periferii do komplexních funkčních systémy. Tento princip v podstatě zajišťuje integrační činnost mozku;
- - princip somatotopické organizace primárních zón mozkové kůry, podle kterého každá část těla odpovídá přesně definovaným bodům kůry mozkové hemisféry(tečka k tečce).
- - princip funkční organizace kůry, odrážející vztah mezi úlohou funkce a jejím promítáním do mozkové kůry: co vyšší hodnotu má jedno nebo druhé funkční systém, čím větší plocha zabírá jeho projekce v primárních částech mozkové kůry. Ilustrací tohoto principu jsou známá Penfieldova schémata; mozková psychika neuroanatomická
- - princip progresivní kortikolizace, jehož podstatou je, že čím výše je zvíře na evolučním žebříčku, tím více je jeho chování regulováno kůrou a tím více se zvyšuje diferencovanost těchto regulací.
Navíc A.R. Luria poukázal na to, že formování lidské duševní činnosti postupuje od jednoduchých ke složitějším, nepřímým formám.
O.S. Adrianov, doplňující a rozvíjející vědu o mozku, formuloval dva principy:
- - princip víceúrovňové interakce vertikálně organizovaných drah buzení, který poskytuje příležitosti pro různé typy zpracování aferentních signálů;
- - princip hierarchického podřízení různých mozkových systémů, díky kterému se snižuje počet stupňů volnosti každého systému a je možné ovládat jednu úroveň hierarchie druhou.
E.D. Chomského na základě moderní nápady o základních principech organizace mozku jako substrátu psychiky, zdůvodňuje dva základní principy teorie lokalizace vyšších psychických funkcí:
- - princip systémové lokalizace funkcí (každý mentální funkce opírá se o komplexní vzájemně propojené strukturální a funkční systémy mozku);
- - princip dynamické lokalizace funkcí (každá mentální funkce má dynamickou, proměnlivou organizaci mozku, odlišnou v odlišní lidé a dovnitř různého věku jejich životy).
Výše uvedené hlavní principy strukturní a funkční organizace mozku jsou formulovány na základě analýzy neuroanatomických dat.
Největší záhadou pro vědce není rozlehlost vesmíru ani vznik Země, ale lidský mozek. Jeho schopnosti převyšují možnosti jakéhokoli moderního počítače. Myšlení, předvídání a plánování, emoce a pocity a nakonec vědomí – všechny tyto procesy, které jsou lidem vlastní, tak či onak, probíhají v malém prostoru lebky. Práce lidský mozek a jeho studium jsou propojeny mnohem silněji než jakékoli jiné objekty a metody výzkumu. V v tomto případě jsou téměř totožné. Lidský mozek je studován pomocí lidského mozku. Schopnost porozumět procesům probíhajícím v hlavě ve skutečnosti závisí na schopnosti „myslícího stroje“ poznat sám sebe.
Struktura
Dnes se toho o stavbě mozku ví docela dost. Skládá se ze dvou polokoulí připomínajících poloviny vlašský ořech, pokrytý tenkou šedou skořápkou. Toto je mozková kůra. Každá z polovin je konvenčně rozdělena na několik podílů. Nejstarší části mozku z evolučního hlediska, limbický systém a mozkový kmen, se nacházejí pod corpus callosum, které spojuje obě hemisféry.
Lidský mozek se skládá z několika typů buněk. Většina z z toho jsou gliové buňky. Plní funkci spojování dalších prvků do jednoho celku a také se podílejí na zesilování a synchronizaci elektrické aktivity. Asi desetinu mozkových buněk tvoří neurony různé formy. Vysílají a přijímají elektrické impulsy pomocí procesů: dlouhých axonů, které přenášejí informace z těla neuronu dále, a krátkých dendritů, které přijímají signály z jiných buněk. Kontaktování axonů a dendritů vytváří synapse, místa, kde se přenášejí informace. Dlouhý proces uvolňuje neurotransmiter do dutiny synapse, Chemická látka, ovlivňující fungování buňky, dosáhne dendritu a vede k inhibici nebo excitaci neuronu. Signál je přenášen všemi připojenými buňkami. Výsledkem je, že práce velkého počtu neuronů je velmi rychle excitována nebo inhibována.
Některé vývojové funkce
Lidský mozek, stejně jako jakýkoli jiný orgán těla, prochází určitými fázemi svého formování. Dítě se rodí takříkajíc ne v plné bojové pohotovosti: tím proces vývoje mozku nekončí. Jeho nejaktivnější oddělení v tomto období se nacházejí ve starověkých strukturách odpovědných za reflexy a instinkty. Kůra funguje hůře, protože se skládá z velkého počtu nezralých neuronů. S věkem lidský mozek část těchto buněk ztrácí, ale mezi zbývajícími získává mnoho pevných a uspořádaných spojení. „Extra“ neurony, které nenašly místo ve výsledných strukturách, odumírají. Jak moc funguje lidský mozek, zdá se, závisí spíše na kvalitě spojení než na počtu buněk.
Běžný mýtus
Pochopení rysů vývoje mozku pomáhá určit rozpor mezi realitou některých běžných představ o práci tohoto orgánu. Panuje názor, že lidský mozek pracuje o 90–95 procent méně, než může, to znamená, že se využívá asi desetina a zbytek záhadně spí. Pokud si znovu přečtete výše uvedené, bude jasné, že neurony, které se nepoužívají, nemohou dlouho existovat - umírají. S největší pravděpodobností je taková chyba výsledkem představ, které existovaly před časem, že fungují pouze ty neurony, které přenášejí impuls. Za jednotku času je však v takovém stavu pouze několik buněk, které jsou spojeny s akcemi, které jsou nyní pro člověka nezbytné: pohyb, řeč, myšlení. Po několika minutách nebo hodinách jsou nahrazeni jinými, kteří byli dříve „tichí“.
Na práci těla se tak po určitou dobu podílí celý mozek, nejprve některými jeho částmi, pak dalšími. Současná aktivace všech neuronů, která implikuje 100% mozkovou funkci, kterou si mnozí přejí, může vést k jakémusi zkratu: člověk bude halucinovat, pociťovat bolest a podobně. možné pocity chvěj se celým tělem.
Spojení
Ukazuje se, že nemůžeme říci, že některá část mozku nefunguje. Schopnosti lidského mozku však skutečně nejsou plně využity. Pointa však není ve „spících“ neuronech, ale v množství a kvalitě spojení mezi buňkami. Jakákoli opakovaná akce, pocit nebo myšlenka je fixována na neuronální úrovni. Čím více opakování, tím silnější je spojení. V souladu s tím plnější používání mozku zahrnuje budování nových spojení. Na tom je trénink postaven. Dětský mozek ještě nemá stabilní spojení, utvářejí se a posilují se v procesu seznamování dítěte se světem. S věkem je stále obtížnější provádět změny ve stávající struktuře, takže se děti snáze učí. Pokud však chcete, můžete schopnosti lidského mozku rozvíjet v každém věku.
Neuvěřitelné, ale pravdivé
Schopnost vytvářet nová spojení a znovu se učit přináší úžasné výsledky. Jsou případy, kdy překonala všechny meze možného. Lidský mozek je nelineární struktura. Se vší jistotou je nemožné identifikovat zóny, které plní jednu konkrétní funkci a nic víc. Navíc, pokud je to nutné, části mozku mohou převzít „odpovědnost“ za poraněné oblasti.
To se stalo Howardu Rocketovi, který byl v důsledku mozkové příhody odsouzen k životu. invalidní vozík. Nechtěl se vzdát a pomocí série cviků se snažil rozvíjet svou ochrnutou ruku a nohu. V důsledku každodenní dřiny mohl po 12 letech nejen normálně chodit, ale i tančit. Jeho mozek se velmi pomalu a postupně přepojoval tak, aby jeho nepostižené části mohly vykonávat funkce nezbytné pro normální pohyb.
Paranormální schopnosti
Plastičnost mozku není jedinou vlastností, která vědce udivuje. Neurologové neignorují takové jevy, jako je telepatie nebo jasnovidectví. V laboratořích se provádějí experimenty, které mají možnost takových schopností prokázat nebo vyvrátit. Výzkum amerických a anglických vědců přináší zajímavé výsledky naznačující, že jejich existence není mýtus. Neurovědci však ještě neučinili konečné rozhodnutí: pro oficiální vědu stále existují určité hranice toho, co je možné, a lidský mozek, jak se věří, je nemůže překročit.
Pracujte na sobě
V dětství, když odumírají neurony, které nenašly „místo“, mizí schopnost pamatovat si vše najednou. Takzvaná eidetická paměť se u dětí vyskytuje poměrně často, ale u dospělých extrémně vzácný jev. Lidský mozek je však orgán a jako každá jiná část těla se dá trénovat. To znamená, že můžete zlepšit svou paměť, zlepšit svou inteligenci a rozvíjet kreativní myšlení. Důležité je pouze připomenout, že vývoj lidského mozku není záležitostí jednoho dne. Trénink by měl být pravidelný, bez ohledu na vaše cíle.
Neobvyklý
Nová spojení vznikají ve chvíli, kdy člověk dělá něco jinak než obvykle. Nejjednodušší příklad: Existuje více způsobů, jak se dostat do práce, ale ze zvyku volíme vždy stejný. Úkolem je vybrat si každý den novou cestu. Tato elementární akce přinese ovoce: mozek bude nucen nejen určovat cestu, ale také registrovat nové vizuální signály přicházející z dosud neznámých ulic a domů.
K takovému výcviku patří i používání levé ruky tam, kde je zvyklá pravá ruka (a naopak, pro leváky). Psaní, psaní, držení myši je tak nepohodlné, ale jak ukazují experimenty, po měsíci takového tréninku kreativní myšlení a fantazie.
Čtení
Už od dětství nám bylo řečeno o výhodách knih. A nejsou to prázdná slova: čtení zvyšuje mozkovou aktivitu, na rozdíl od sledování televize. Knihy pomáhají rozvíjet představivost. K nim se hodí křížovky, hádanky, logické hry a šachy. Stimulují myšlení a nutí nás využívat ty schopnosti mozku, které obvykle nejsou žádané.
Tělesné cvičení
Jak moc funguje lidský mozek, ať už na plný výkon nebo ne, závisí také na zátěži celého těla. Je dokázáno, že fyzický trénink obohacováním krve o kyslík má pozitivní vliv na mozkovou činnost. Kromě toho se zlepšuje potěšení, které tělo dostává z pravidelného cvičení obecný stav a nálada.
Existuje velké číslo způsoby, jak zvýšit mozkovou aktivitu. Mezi nimi jsou jak speciálně navržené, tak extrémně jednoduché, ke kterým se, aniž bychom to věděli, uchylujeme každý den. Hlavní je důslednost a pravidelnost. Pokud provedete každé cvičení jednou, nebude to mít žádný významný účinek. Pocit nepohodlí, který se zpočátku objeví, není důvodem k ukončení, ale signálem, že toto cvičení nutí mozek pracovat.
Historie informatiky jako celku se scvrkává na skutečnost, že vědci se snaží pochopit, jak funguje lidský mozek, a ve svých schopnostech znovu vytvořit něco podobného. Jak přesně to vědci zkoumají? Představme si, že v 21. století přiletí na Zemi mimozemšťané, kteří nikdy neviděli počítače, na které jsme zvyklí, a pokusme se studovat strukturu takového počítače. S největší pravděpodobností začnou měřením napětí na vodičích a zjistí, že data se přenášejí v binární podobě: přesná hodnota napětí není důležitá, důležitá je pouze jeho přítomnost či nepřítomnost. Pak si možná uvědomí, že všechny elektronické obvody se skládají ze stejných "logických hradel", které mají vstup a výstup a signál v obvodu putuje vždy stejným směrem. Pokud jsou mimozemšťané dostatečně chytří, dokážou přijít na to, jak fungují kombinační obvody – jen ony stačí na stavbu poměrně složitých výpočetních zařízení. Možná mimozemšťané zjistí roli hodinového signálu a zpětné vazby; ale je nepravděpodobné, že budou schopni při studiu moderního procesoru rozpoznat v něm von Neumannovu architekturu sdílená paměť, čítač programů, sada registrů atd. Faktem je, že po čtyřiceti letech honby za výkonem se v procesorech objevila celá hierarchie „pamětí“ s chytrými synchronizačními protokoly; několik paralelních pipelines vybavených větvenými prediktory, takže koncept „programového čítače“ vlastně ztrácí smysl; Každá instrukce má svůj vlastní obsah registru, který je s ní spojen, atd. Pro implementaci mikroprocesoru stačí několik tisíc tranzistorů; aby jeho produktivita dosáhla úrovně, na kterou jsme zvyklí, jsou zapotřebí stovky milionů. Účelem tohoto příkladu je odpovědět na otázku „jak funguje počítač? není třeba rozumět fungování stovek milionů tranzistorů: pouze zakrývají jednoduchou myšlenku, která je základem architektury našich počítačů.
Modelování neuronů
Lidská mozková kůra se skládá z asi sta miliard neuronů. Historicky se vědci, kteří studují fungování mozku, snažili celou tuto kolosální strukturu pokrýt svou teorií. Struktura mozku je popsána hierarchicky: kůra se skládá z laloků, laloky jsou tvořeny „hypersloupci“, ty jsou tvořeny „minisloupky“... Minisloupec se skládá asi ze stovky jednotlivých neuronů.Analogicky se strukturou počítače je velká většina těchto neuronů potřebná pro rychlost a efektivitu, pro odolnost vůči poruchám atd.; ale základní principy mozku jsou stejně tak nemožné odhalit mikroskopem, stejně jako je nemožné odhalit programový čítač zkoumáním mikroprocesoru pod mikroskopem. Plodnějším přístupem je proto pokusit se porozumět mozku na nejnižší úrovni, na úrovni jednotlivých neuronů a jejich sloupců; a pak na základě jejich vlastností zkuste odhadnout, jak by mohl fungovat celý mozek. Něco takového, mimozemšťané, kteří pochopili fungování logických hradel, by z nich nakonec mohli postavit jednoduchý procesor – a zajistit, aby byl svými schopnostmi ekvivalentní skutečným procesorům, i když jsou mnohem složitější a výkonnější.
Na obrázku nahoře, tělo neurona (vlevo) - malá červená skvrna dole; všechen zbytek - dendrity, „vstupy“ neuronu, a jeden axon, "výstup". Vícebarevné tečky podél dendritů jsou synapse, kterým je neuron spojen s axony jiných neuronů. Činnost neuronů je popsána velmi jednoduše: když na axonu dojde k napěťovému „špice“ nad prahovou úrovní (typická doba trvání špičky je 1 ms, hladina 100 mV), synapse „prorazí“ a napěťový ráz přejde do dendritu. . V tomto případě je rázová vlna „vyhlazena“: nejprve se napětí zvýší na přibližně 1 mV během 5 až 20 ms, poté exponenciálně klesá; tím se doba trvání shluku prodlouží na ~50 ms.
Pokud je aktivováno několik synapsí jednoho neuronu s krátkým časovým intervalem, pak se „vyhlazené vzplanutí“ vybuzené v neuronu každým z nich sčítají. Konečně, pokud je současně aktivních dostatek synapsí, pak napětí na neuronu stoupne nad prahovou úroveň a jeho vlastní axon „prorazí“ synapse neuronů s ním spojených.
Čím silnější byly počáteční výbuchy, tím rychleji vyhlazené výbuchy rostou a tím kratší bude zpoždění do aktivace dalších neuronů.
Kromě toho existují „inhibiční neurony“, jejichž aktivace snižuje celkové napětí na neuronech k němu připojených. Takové inhibiční neurony tvoří 15..25 % z celkového počtu.
Každý neuron má tisíce synapsí; ale v žádném okamžiku není aktivních více než desetina všech synapsí. Reakční doba neuronu - jednotky ms; stejný řád zpoždění pro šíření signálu po dendritu, tzn. tato zpoždění mají významný dopad na činnost neuronu. Konečně, pár sousedních neuronů je zpravidla spojen ne jednou synapsí, ale asi tuctem - každý s vlastní vzdáleností k tělům obou neuronů, a tedy s vlastní dobou zpoždění. Na obrázku vpravo jsou dva neurony zobrazené červeně a modře spojeny šesti synapsemi.
Každá synapse má svůj vlastní „odpor“, který snižuje příchozí signál (ve výše uvedeném příkladu - ze 100 mV na 1 mV). Tento odpor se dynamicky upravuje: pokud je synapse aktivována těsně před aktivace axonu - pak zřejmě signál z této synapse dobře koreluje s obecným výstupem, takže odpor klesá a signál bude více přispívat k napětí na neuronu. Pokud je synapse aktivována hned po aktivace axonu - pak zřejmě signál z této synapse nesouvisel s aktivací axonu, takže odpor synapse roste. Pokud jsou dva neurony propojeny několika synapsemi s různou délkou zpoždění, pak vám tato úprava odporu umožňuje zvolit optimální zpoždění nebo optimální kombinaci zpoždění: signál začne přicházet přesně ve chvíli, kdy je nejužitečnější.
Model neuronu přijatý výzkumníky neuronových sítí – s jediným spojením mezi dvojicí neuronů a s okamžitým šířením signálu z jednoho neuronu na druhý – je tedy velmi vzdálen biologickému obrazu. Tradiční neuronové sítě navíc nefungují čas jednotlivé výboje a je frekvence: Čím častěji se vstupy neuronů šíří, tím častěji roste výstup. Tyto detaily struktury neuronů, které jsou v tradičním modelu vyřazeny – jsou podstatné nebo nedůležité pro popis práce mozku? Neurovědci nashromáždili obrovské množství pozorování o struktuře a chování neuronů – ale která z těchto pozorování vrhají světlo na celkový obraz a která jsou pouze „implementačními detaily“ a – stejně jako prediktor větvení v procesoru – nic neovlivňují jiná než provozní efektivita? James se domnívá, že jsou to právě časové charakteristiky interakce mezi neurony, které nám umožňují přiblížit se k pochopení problému; že asynchronie je pro fungování mozku stejně důležitá jako synchronie pro fungování počítače.
Dalším „implementačním detailem“ je nespolehlivost neuronu: s určitou pravděpodobností se může aktivovat spontánně, i když součet napětí na jeho dendritech nedosáhne prahové úrovně. Díky tomu může „trénink“ sloupce neuronů začít s dostatečně velkým odporem na všech synapsích: zpočátku žádná kombinace aktivací synapsí nepovede k aktivaci axonů; pak spontánní výbuchy povedou ke snížení odporu synapsí, které byly aktivovány krátce před těmito spontánními výbuchy. Tímto způsobem neuron začne rozpoznávat specifické „vzorce“ vstupních impulzů. Nejdůležitější jsou vzory podobný k těm, na kterých byl neuron trénován, budou také rozpoznány, ale bodec na axonu bude slabší a/nebo pozdější, čím méně si je neuron „jistý“ výsledkem. Trénování sloupce neuronů je mnohem efektivnější než trénování konvenční neuronové sítě: sloupec neuronů nepotřebuje kontrolní odezvu pro vzorky, na kterých je trénován – ve skutečnosti nepotřebuje uznává, A klasifikuje vstupní vzory. Navíc trénovat sloupec neuronů lokalizované- změna odporu synapse závisí na chování pouze dvou neuronů, které jsou jí spojeny, a žádných dalších. V důsledku toho trénink vede ke změně odporu podél signálové cesty, zatímco při tréninku neuronové sítě se váhy mění v opačném směru: od neuronů nejblíže výstupu k neuronům nejblíže vstupu.
Zde je například sloupec neuronů trénovaných k rozpoznání vzoru burst (8,6,1,6,3,2,5) – hodnoty označují dobu burstu na každém ze vstupů. V důsledku tréninku jsou zpoždění nastavena tak, aby přesně odpovídala rozpoznanému vzoru, takže napětí na axonu způsobené správným vzorem je maximální možné (7):
Stejný sloupec bude reagovat na podobný vstupní vzor (8,5,2,6,3,3,4) s menší špičkou (6) a napětí dosáhne prahové úrovně znatelně později:
A konečně, inhibiční neurony mohou být použity k poskytování „zpětné vazby“: například, jako na obrázku vpravo, potlačení opakovaných špiček na výstupu při vstupu dlouho zůstává aktivní; nebo potlačit špičku na výstupu, pokud je příliš zpožděná ve srovnání se vstupními signály – aby byl klasifikátor „kategoričtější“; nebo v neuronovém okruhu rozpoznávání vzorů mohou být různé sloupce klasifikátoru propojeny inhibičními neurony tak, že aktivace jednoho klasifikátoru automaticky potlačí všechny ostatní klasifikátory.
Rozpoznávání obrazu
K rozpoznání ručně psaných čísel z databáze MNIST (28x28 pixelů ve stupních šedi) sestavil James analog pětivrstvé „konvoluční neuronové sítě“ z výše popsaných sloupců klasifikátoru. Každý ze 64 sloupců v první vrstvě zpracovává fragment 5x5 pixelů z původního obrázku; takové fragmenty se překrývají. Sloupce druhé vrstvy zpracovávají každý čtyři výstupy z první vrstvy, což odpovídá fragmentu 8x8 pixelů z původního obrázku. Třetí vrstva má pouze čtyři sloupce – každý odpovídá fragmentu 16x16 pixelů. Čtvrtá vrstva - konečný klasifikátor - rozděluje všechny obrázky do 16 tříd: třída je přiřazena podle toho, který z neuronů je aktivován jako první. Konečně pátá vrstva je klasický perceptron, který koreluje 16 tříd s 10 kontrolními odezvami.
Klasické neuronové sítě založené na MNIST dosahují přesnosti 99,5 % a ještě vyšší; Ale podle Jamese se jeho „hypersloupec“ trénuje v mnohem menším počtu iterací, a to kvůli skutečnosti, že změny se šíří podél signálové cesty, a proto ovlivňují méně neuronů. U klasické neuronové sítě vývojář „hypersloupce“ určuje pouze konfiguraci spojení mezi neurony a všechny kvantitativní charakteristiky hypersloupec - tzn. odpor synapsí s různým zpožděním – získaný automaticky během procesu učení. Navíc provoz hypersloupec vyžaduje řádově méně neuronů než neuronová síť s podobnými schopnostmi. Na druhou stranu, simulace takových „analogových neuroobvodů“ na elektronický počítač poněkud komplikované tím, že na rozdíl od digitálních obvodů, které pracují s diskrétními signály a diskrétními časovými intervaly, je pro činnost neuroobvodů důležitá kontinuita změn napětí a asynchronie neuronů. James tvrdí, že krok simulace 0,1 ms stačí k tomu, aby jeho rozpoznávač fungoval správně; ale neupřesnil, kolik „reálného času“ zabere trénování a provoz klasické neuronové sítě a kolik zabere výcvik a provoz jeho simulátoru. Sám je již delší dobu v důchodu a volný čas věnuje se vylepšování svých analogových neuronových obvodů.
Důvodem pro napsání tohoto článku bylo zveřejnění materiálu americkými neurology na téma měření paměťové kapacity lidského mozku a den předtím prezentovaného na GeekTimes.
V připraveném materiálu se pokusím vysvětlit mechanismy, vlastnosti, funkčnost, strukturální interakce a rysy ve fungování paměti. Také proč je nemožné kreslit analogie s počítači v práci mozku a provádět výpočty v jednotkách strojového jazyka. V článku jsou použity materiály převzaté z prací lidí, kteří svůj život zasvětili tvrdé práci při studiu cytoarchitektoniky a morfogenetiky, potvrzené v praxi a mající výsledky v medicína založená na důkazech. Používají se zejména údaje S.V. vědec, evolucionista, paleoneurolog, doktor biologických věd, profesor, vedoucí laboratoře vývoje nervového systému na Ústavu lidské morfologie Ruské akademie věd.
Než přistoupíme k uvažování o problému a problému jako celku, zformulujeme základní myšlenky o mozku a uděláme řadu vysvětlení, která nám umožní plně ocenit prezentovaný úhel pohledu.
První věc, kterou byste měli vědět: lidský mozek je nejvariabilnější orgán, liší se mezi muži a ženami, rasami a etnickými skupinami, variabilita je jak kvantitativní (mozková hmota), tak kvalitativní (organizace sulci a konvolucí) povahy. rozdíl má různé variace se ukazuje být více než dvojnásobný.
Za druhé: mozek je orgánem, který nejvíce spotřebovává energii Lidské tělo. Při váze 1/50 tělesné hmotnosti spotřebuje 9 % energie celého těla uvnitř klidný stav, když například ležíte na gauči a 25 % energie celého těla, když začnete aktivně myslet, je obrovský výdaj.
Za třetí: mozek je kvůli vysoké spotřebě energie mazaný a selektivní, každý energeticky závislý proces je pro tělo nevýhodný, to znamená, že bez extrémní biologické nutnosti nebude takový proces podporován a mozek se snaží šetřit zdroje těla tím, že jakékoli prostředky.
Zde jsou možná tři hlavní body zdaleka úplný seznam vlastnosti mozku, které budou potřebné při analýze mechanismů a procesů lidské paměti.
co je paměť? Paměť je funkcí nervových buněk. Paměť nemá samostatnou pasivní energii Ne nákladná lokalizace, která je oblíbeným tématem fyziologů a psychologů, zastánců myšlenky nehmotných forem paměti, která je vyvrácena smutnou zkušeností klinická smrt, kdy mozek přestane dostávat potřebné prokrvení a přibližně 6 minut po klinické smrti začnou nevratné procesy a vzpomínky nenávratně mizí. Kdyby paměť měla energii Ne závislém zdroji, mohl by být obnoven, ale to se nestane, což znamená, že paměť je dynamická a její údržba stojí konstantní energii.
Je důležité vědět, že neurony, které určují lidskou paměť, se nacházejí především v neokortoxu. Neokortex obsahuje asi 11 miliard. neurony a mnohonásobně více glií. (Glia jsou typem buňky v nervovém systému. Glia jsou prostředím pro neurony; gliové buňky slouží jako podpůrný a ochranný aparát pro neurony. Metabolismus gliových buněk úzce souvisí s metabolismem neuronů, které obklopují.
Neokortex:
Glia, neuronová spojení:
Je dobře známo, že informace se ukládají do paměti jiný čas, existují takové pojmy jako dlouhodobá a krátkodobá paměť. Události a jevy jsou rychle zapomenuty, pokud se neaktualizují a neopakují, což je dalším potvrzením dynamičnosti paměti. Informace se určitým způsobem uchovávají, ale při absenci poptávky zmizí.
Jak již bylo zmíněno dříve, paměť je energeticky závislý proces. Žádná energie – žádná paměť. Důsledkem energetické závislosti paměti je nestabilita jejího obsahu. Vzpomínky na minulé události jsou v čase falšovány až do úplné neadekvátnosti. Paměť nepočítá čas, ale nahrazuje jej rychlost zapomínání. Paměť jakékoli události se snižuje nepřímo úměrně s časem. Za hodinu je zapomenuta ½ všeho, co je v paměti, za den – 2/3, za měsíc – 4/5.
Uvažujme o principech paměti, založené na biologické účelnosti výsledků její práce. Fyzikální komponenty vzpomínky se skládají z nervových drah spojujících jednu nebo více buněk. Zahrnují zóny postupného a aktivního vedení signálu, různé systémy synapse a buněčná těla neuronů. Představme si událost nebo jev. Muž byl postaven před novou, ale dost důležitou situaci. Prostřednictvím určitých smyslových spojení a smyslových orgánů dostával člověk různé informace, rozbor události skončil rozhodnutím. Člověk je přitom s výsledkem spokojený. V nervovém systému zůstala zbytková excitace - pohyb signálů přes sítě, které byly použity k vyřešení problému. Jedná se o tzv. „staré řetězce“, které existovaly před situací s potřebou zapamatovat si informace. Udržování oběhu různých informačních signálů v rámci jednoho strukturálního řetězce je extrémně energeticky náročné. Protože mít na paměti nová informace obvykle obtížné. Při opakováních nebo podobných situacích se mohou vytvořit nová synaptická spojení mezi buňkami a přijaté informace si pak budou dlouho pamatovat. Memorování je tedy zachování zbytkové aktivity neuronů v oblasti mozku.
Paměť mozku je vynucená kompenzační reakce nervového systému. Veškeré informace se uloží do dočasného úložiště. Udržování stability krátkodobé paměti a vnímání signálů zvenčí je extrémně energeticky nákladné, do stejných buněk přicházejí nové vzrušující signály a hromadí se chyby přenosu a dochází k nadměrnému vynakládání energetických zdrojů. Situace však není tak špatná, jak se zdá. Nervový systém má dlouhodobou paměť. Často proměňuje realitu tak, že původní objekty proměňuje k nepoznání. Míra modifikace objektu uloženého v paměti závisí na době uložení. Paměť uchovává vzpomínky, ale mění je tak, jak si majitel přeje. V jádru dlouhodobá paměť lež jednoduchá a náhodné procesy. Faktem je, že neurony tvoří a ničí svá spojení po celý život. Synapse se neustále tvoří a ničí. Poměrně hrubá data naznačují, že k tomuto procesu spontánní tvorby jedné neuronální synapse může dojít u savců přibližně 3-4krát za 2-5 dní. Poněkud méně často dochází k větvení kolaterál obsahujících stovky různých synapsí. Nová polysynaptická kolaterála se vytvoří za 40-45 dní. Protože tyto procesy probíhají v každém neuronu, je docela možné odhadnout denní kapacitu dlouhodobé paměti pro kterékoli ze zvířat. Dá se očekávat, že v lidské mozkové kůře se každý den vytvoří asi 800 milionů nových spojení mezi buňkami a přibližně stejný počet bude zničen. Dlouhodobá paměť je zařazení do nově vytvořené sítě oblastí se zcela nevyužitými, nově vytvořenými kontakty mezi buňkami. Čím více nových synaptických kontaktů je zapojeno do sítě primární (krátkodobé) paměti, tím větší šance má tato síť na dlouhodobé přežití.
Pamatování a zapomínání informací. Krátkodobá paměť vytvořené na základě existujících spojení. Jeho vzhled je označen oranžovými šipkami ve fragmentu b. Signály obsahující staré (fialové šipky) i nové (oranžové šipky) informace obíhají po stejných cestách. To vede k extrémně nákladnému a krátkodobému ukládání nových informací na základě starých spojení. Pokud to není důležité, pak se snižují náklady na energii na jeho údržbu a dochází k zapomínání. Při ukládání „krátkodobých“, ale nyní nezbytných informací, vznikají mezi buňkami nová fyzická spojení podél fragmentů a-b-c. To vede k dlouhodobé paměti založené na používání nově vytvořených spojení (žluté šipky). Pokud informace zůstanou po dlouhou dobu nevyžádané, jsou nahrazeny jinými informacemi. V tomto případě může dojít k přerušení spojení a zapomenutí. fragmenty b-b-a nebo in-a (modré šipky).“
Z výše uvedeného je zřejmé, že mozek je dynamická struktura, neustále se přestavuje a má určité fyziologické limity a mozek je také nadměrně energeticky náročný orgán. Mozek není fyziologický, ale morfogenetický, proto je jeho činnost v systémech používaných a aplikovaných nesprávně a nesprávně měřitelná informační technologie. Vzhledem k individuální variabilitě mozku nelze činit žádné závěry, které by zobecňovaly různé funkční ukazatele lidský mozek. Matematické metody Nejsou použitelné ani při výpočtu strukturální interakce v práci lidského mozku, a to kvůli neustálé změně, interakci a restrukturalizaci nervových buněk a spojení mezi nimi, což zase přivádí k absurditě práce amerických vědců v studovat paměťovou kapacitu lidského mozku.
