Smegenys yra sudėtingiausios organizuotas vargonas asmuo. Juk jis atsakingas už visų organų darbą, taip pat ir už daugelį sudėtingus procesus, pavyzdžiui, atmintis, mąstymas, jausmai, kalba. Be to, žmogaus smegenys taip pat yra atsakingos už sąmonę. Išsiaiškinkime, kaip veikia smegenys.
Smegenys yra centrinis nervų sistemos organas. Jis yra kaukolėje, kuris apsaugo jį nuo pažeidimų ir temperatūros poveikio. Suaugusio žmogaus smegenys sveria vidutiniškai 1,4 kg, o išoriškai atrodo kaip didelis graikinis riešutas. Smegenys susideda iš pilkosios ir baltosios medžiagos, kurios susideda iš nervų ląstelės Ir nervinių skaidulų. Neuronai siunčia ir priima elektrinius signalus į visus kūno organus per nervų galūnėlių tinklą. Smegenys ir nugaros smegenys, taip pat nervų galūnės visame kūne sudaro žmogaus nervų sistemą.
Anatomiškai smegenys susideda iš trijų pagrindinių dalių – smegenų kamieno, pusrutulių ir smegenėlių. Be to, smegenyse yra liaukų vidinė sekrecija, pavyzdžiui, talamas ir pagumburis. Pažvelkime į kiekvienos dalies funkcijas ir struktūrą, kad geriau suprastume, kaip veikia žmogaus smegenys.
Smegenų pusrutuliai
Smegenų pusrutuliai yra didžiausia jo dalis. Jie sudaro apie 90% viso tūrio. Pusrutuliai padalija smegenis į dvi maždaug lygias dalis, sujungtas tankiu tiltu - corpus callosum. Pusrutulių struktūra susideda iš pilkosios ir baltosios medžiagos. Pilka medžiaga sudaro smegenų paviršių ir yra sudaryta iš sudėtingų nervinių ląstelių, generuojančių elektrinius impulsus. A baltoji medžiaga, kuris yra pusrutulių viduje, susideda iš nervinių skaidulų. Jie perduoda signalus visame kūne.
Sudėtinga smegenų pusrutulių struktūra leidžia jiems būti atsakingiems už daugelį žmogaus kūno funkcijų, kurių dauguma yra susijusios su aukštesnėmis. protinė veikla, pavyzdžiui, atmintis, mąstymas ir kt. Fiziologiškai tai reiškia aiškų padalijimą į zonas, kurios iš išorės nėra pastebimos. Kiekviena zona yra atsakinga už tam tikras žmogaus funkcijas. Daugiau apie tai, už ką atsakingi pusrutuliai, galite sužinoti viename iš mūsų straipsnių - "".
Smegenėlės
Smegenėlės yra užpakalinėje smegenų dalyje, tiesiai po pakaušiu. Smegenėlės gauna motorinius signalus iš pusrutulių, po to juos rūšiuoja, konkretizuoja ir siunčia signalus į konkrečius raumenis ar sausgysles. Smegenėlės yra atsakingos už tiek atskirų raumenų judesius, tiek už bendrą žmogaus judesių sklandumą ir koordinaciją.
Smegenų kamienas
Smegenų kamienas yra prie pagrindo ir jungia smegenis su nugaros smegenimis. Smegenų kamienas yra atsakingas už gyvybiškai svarbius automatinius procesus, tokius kaip širdies plakimas, virškinimas, kūno temperatūra, kvėpavimas ir kt.
Pagumburis ir talamas
Pagumburis yra endokrininė liauka, atsakinga už daugelį sudėtingos funkcijos ir žmogiškosios apraiškos. Pavyzdžiui, jis kontroliuoja alkį, miegą, troškulį ir galingos emocijos– pyktis, džiaugsmas, baimė. Pagumburis yra smegenų kamieno viršuje.
Savo ruožtu talamas yra visų žmogaus liaukų koordinatorius. Ne didesnis už žirnį, talamas reguliuoja visų hormonų išsiskyrimą organizme.
Kaip veikia smegenys: vidinis procesas
Iš pirmo žvilgsnio smegenų darbas atrodo itin paprastas. Nerviniai impulsai, įveskite vieną pusrutulį, kur jie skaitomi ir apdorojami. Tada jie siunčiami į norimą kūno vietą. Beje, signalai, sklindantys iš dešinioji pusė kūnai siunčiami į kairįjį pusrutulį.
Apskritai galime sakyti, kad smegenys yra organas, valdantis visus organizmo procesus. Neuroninio tinklo pagalba jis kaip laidininkas nukreipia kūną, nurodydamas, ką ir kuriam organui reikia daryti.
Žmogaus nervinis tinklas susideda iš nervinių ląstelių – neuronų. Savo struktūroje jie turi keletą įėjimų – dendritų ir vieną išėjimą – aksoną. Galima sakyti, kad neuronas priima daug signalų, juos sumuoja ir sukuria vieną bendrą išėjimo signalą, kuris perduodamas toliau. Žmogaus neuronai turi galimybę „mokytis“ – gyvenimo eigoje jie gali pakeisti savo slenkstinį signalų kiekį. Kai neuronai padidina signalų sumą, žmogus mokosi, o kai signalų suma mažėja, žmogus pamiršta arba praranda įgūdį.
Dabar jūs žinote, kaip veikia smegenys. Manoma, kad smegenys yra daug kartų galingesnės nei bet kuris kada nors sukurtas kompiuteris. Žmogaus smegenyse yra apie 100 milijardų nervinių ląstelių, kurios nuolat miršta ir atsiranda, taip pat linkusios vystytis.
Kad smegenys nuolat vystytųsi, jos turi dirbti. Praktinis patarimas apie tai galite rasti viename iš mūsų straipsnių - "
Bet kuri sąvoka atskleidžiama per daugybę principų (iš lot. principium – pamatas), įskaitant smegenų ir psichikos santykio sampratą. A.R. darbuose. Luria, E.D. Chomsky, O.S. Adrianova, L.S. Tsvetkova, N.P. Bekhtereva ir kiti apibendrina pagrindinius smegenų struktūros ir veikimo principus. Šių tyrinėtojų dėka smegenų organizacijoje galima nustatyti, kaip Bendri principai struktūra ir funkcionavimas, būdingas visoms makrosistemoms ir dinamiškai besikeičiantis individualios savybėsšios sistemos.
A.R. Luria pabrėžia šiuos principus smegenų, kaip psichikos organo, evoliucija ir struktūra:
- - evoliucinio vystymosi principas, susidedantis iš to, kad įvairiais evoliucijos etapais organizmo santykį su aplinka ir jo elgesį reguliavo įvairūs nervų sistemos aparatai, todėl žmogaus smegenys yra ilgo veikimo produktas. evoliucinis vystymasis;
- - senovinių struktūrų išsaugojimo principas, pagal kurį išsaugomi buvę smegenų aparatai, užleidžiant vietą pirmaujanti vieta naujų formacijų ir įsigijimo naujas vaidmuo. Jie vis dažniau tampa aparatais, suteikiančiais elgesio foną;
- - smegenų funkcinių sistemų vertikalios struktūros principas, reiškiantis, kad kiekviena elgesio forma užtikrinama bendru darbu skirtingų lygių nervinis aparatas, sujungtas tiek kylančiais, tiek nusileidžiančiais ryšiais, paverčiantis smegenis savireguliuojančia sistema;
- - hierarchinės sąveikos principas skirtingos sistemos smegenys, pagal kurias periferiniuose jutimo organuose kylantis sužadinimas pirmiausia patenka į pirmines (projekcijos) zonas, po to plinta į antrines žievės zonas, kurios atlieka integruojantį vaidmenį, sujungdamos periferijoje kylančių sužadinimo somatotopines projekcijas į kompleksines funkcines. sistemos. Šis principas iš esmės užtikrina integracinę smegenų veiklą;
- - pirminių smegenų žievės zonų somatotopinio organizavimo principas, pagal kurį kiekviena kūno dalis atitinka griežtai apibrėžtus žievės taškus smegenų pusrutuliai(taškas prie taško).
- - žievės funkcinės organizacijos principas, atspindintis ryšį tarp funkcijos vaidmens ir jos projekcijos smegenų žievėje: kas didesnę vertę turi vieną ar kitą funkcinė sistema, tuo didesnį plotą užima jo projekcija pirminėse smegenų žievės dalyse. Šio principo iliustracija yra žinomos Penfield schemos; smegenų psichika neuroanatominė
- - progresuojančios kortikolizacijos principas, kurio esmė ta, kad kuo aukščiau gyvūnas yra evoliucijos laiptais, tuo labiau jo elgesys yra reguliuojamas žievės ir tuo labiau didėja šių reguliacijų diferencijuotumas.
Be to, A.R. Luria pažymėjo, kad žmogaus psichinės veiklos formavimas vyksta nuo paprastų iki sudėtingesnių, netiesioginių formų.
O.S. Adrianovas, papildydamas ir plėtodamas smegenų mokslą, suformulavo du principus:
- - vertikaliai organizuotų sužadinimo kelių daugiapakopės sąveikos principas, suteikiantis galimybių įvairių tipų aferentinių signalų apdorojimas;
- - įvairių smegenų sistemų hierarchinio pavaldumo principas, dėl kurio sumažėja kiekvienos sistemos laisvės laipsnių skaičius ir tampa įmanoma valdyti vieną hierarchijos lygį kitu.
E.D. Chomsky, remiantis šiuolaikinės idėjos apie pagrindinius smegenų, kaip psichikos substrato, organizavimo principus, pagrindžia du pagrindinius aukštesnių psichinių funkcijų lokalizavimo teorijos principus:
- - sisteminio funkcijų lokalizavimo principas (kiekviena psichinę funkciją remiasi sudėtingomis tarpusavyje susijusiomis struktūrinėmis ir funkcinėmis smegenų sistemomis);
- - dinaminės funkcijų lokalizacijos principas (kiekviena psichinė funkcija turi dinamišką, kintamą smegenų organizaciją, skirtingą skirtingi žmonės ir į įvairaus amžiaus jų gyvenimai).
Pirmiau išdėstyti pagrindiniai smegenų struktūrinės ir funkcinės organizavimo principai yra suformuluoti remiantis neuroanatominių duomenų analize.
Didžiausia mokslininkų paslaptis – ne kosmoso platybės ar Žemės formavimasis, o žmogaus smegenys. Jo galimybės pranoksta bet kurio šiuolaikinio kompiuterio galimybes. Mąstymas, prognozavimas ir planavimas, emocijos ir jausmai, galiausiai sąmonė – visi šie žmogui būdingi procesai vienaip ar kitaip vyksta mažoje kaukolės erdvėje. Darbas žmogaus smegenys ir jo tyrimas yra susiję daug stipriau nei bet kurie kiti tyrimo objektai ir metodai. IN tokiu atveju jie beveik identiški. Žmogaus smegenys tiriamos naudojant žmogaus smegenis. Gebėjimas suprasti galvoje vykstančius procesus iš tikrųjų priklauso nuo „mąstymo mašinos“ gebėjimo pažinti save.
Struktūra
Šiandien gana daug žinoma apie smegenų struktūrą. Jį sudaro du pusrutuliai, panašūs į puses graikinis riešutas, padengtas plonu pilku apvalkalu. Tai yra smegenų žievė. Kiekviena pusė paprastai yra padalinta į keletą dalių. Seniausios smegenų dalys evoliuciniu požiūriu – limbinė sistema ir smegenų kamienas – yra po korpusu, jungiančiu du pusrutulius.
Žmogaus smegenys susideda iš kelių tipų ląstelių. Dauguma iš jų yra glijos ląstelės. Jie atlieka kitų elementų sujungimo į vieną visumą funkciją, taip pat dalyvauja stiprinant ir sinchronizuojant elektrinę veiklą. Maždaug dešimtadalis smegenų ląstelių yra neuronai įvairių formų. Jie perduoda ir priima elektrinius impulsus naudodami procesus: ilgus aksonus, kurie perduoda informaciją iš neurono kūno toliau, ir trumpus dendritus, kurie priima signalus iš kitų ląstelių. Kontaktuojantys aksonai ir dendritai sudaro sinapses, vietas, kur perduodama informacija. Ilgas procesas išskiria neuromediatorių į sinapsės ertmę, Cheminė medžiaga, paveikdamas ląstelės funkcionavimą, jis pasiekia dendritą ir sukelia neurono slopinimą arba sužadinimą. Signalas perduodamas visose prijungtose ląstelėse. Dėl to labai greitai sužadinamas arba slopinamas daugelio neuronų darbas.
Kai kurios plėtros ypatybės
Žmogaus smegenys, kaip ir bet kuris kitas kūno organas, pereina tam tikrus formavimosi etapus. Vaikas gimsta, taip sakant, ne visiškai kovinis: smegenų vystymosi procesas tuo nesibaigia. Šiuo laikotarpiu aktyviausi jos skyriai yra senosiose struktūrose, atsakingose už refleksus ir instinktus. Žievė veikia prasčiau, nes ją sudaro daugybė nesubrendusių neuronų. Su amžiumi žmogaus smegenys netenka dalies šių ląstelių, tačiau tarp likusių įgyja daug tvirtų ir tvarkingų ryšių. „Papildomi“ neuronai, neradę vietos susidariusiose struktūrose, miršta. Atrodo, kiek veikia žmogaus smegenys, priklauso nuo ryšių kokybės, o ne nuo ląstelių skaičiaus.
Bendras mitas
Smegenų vystymosi ypatybių supratimas padeda nustatyti kai kurių bendrų idėjų apie šio organo darbą tikrovės neatitikimą. Egzistuoja nuomonė, kad žmogaus smegenys dirba 90-95 procentais mažiau nei gali, tai yra išnaudojama apie dešimtadalį, o likusi dalis paslaptingai miega. Jei dar kartą perskaitysite tai, kas išdėstyta aukščiau, paaiškėja, kad nenaudojami neuronai negali egzistuoti ilgai – jie miršta. Greičiausiai tokia klaida yra prieš kurį laiką egzistavusių idėjų, kad veikia tik tie neuronai, kurie perduoda impulsą, rezultatas. Tačiau per laiko vienetą tokios būsenos būna vos kelios ląstelės, susijusios su žmogui dabar būtinais veiksmais: judėjimu, kalba, mąstymu. Po kelių minučių ar valandų juos pakeičia kiti, kurie anksčiau buvo „tylūs“.
Taigi per tam tikrą laiką kūno darbe dalyvauja visos smegenys – iš pradžių su kai kuriomis jo dalimis, vėliau su kitomis. Vienu metu aktyvuojant visus neuronus, o tai reiškia 100% daugelio taip trokštamą smegenų funkciją, gali atsirasti tam tikras trumpasis jungimas: žmogus haliucinuos, patirs skausmą ir viskas. galimi pojūčiai, drebėkite visu kūnu.
Jungtys
Pasirodo, negalime sakyti, kad kuri nors smegenų dalis neveikia. Tačiau žmogaus smegenų gebėjimai iš tiesų nėra iki galo išnaudojami. Tačiau esmė yra ne „miegančiuose“ neuronuose, o jungčių tarp ląstelių kiekyje ir kokybe. Bet koks pasikartojantis veiksmas, pojūtis ar mintis fiksuojamas neuronų lygmenyje. Kuo daugiau pakartojimų, tuo stipresnis ryšys. Atitinkamai, visapusiškesnis smegenų naudojimas apima naujų ryšių kūrimą. Tuo remiasi mokymai. Vaiko smegenys dar neturi stabilių ryšių, jos formuojasi ir sustiprėja vaiko pažinimo su pasauliu procese. Su amžiumi darosi vis sunkiau keisti esamą struktūrą, todėl vaikai mokosi lengviau. Tačiau jei norite, galite lavinti žmogaus smegenų gebėjimus bet kuriame amžiuje.
Neįtikėtina, bet tiesa
Gebėjimas užmegzti naujus ryšius ir mokytis iš naujo duoda nuostabių rezultatų. Pasitaiko atvejų, kai ji peržengė visas įmanomų galimybių ribas. Žmogaus smegenys yra netiesinė struktūra. Su visu tikrumu neįmanoma nustatyti zonų, kurios atlieka vieną konkrečią funkciją ir ne daugiau. Be to, jei reikia, smegenų dalys gali perimti sužalotų vietų „atsakomybę“.
Taip atsitiko Howardui Rocketui, kuris buvo pasmerktas gyvybei dėl insulto. neįgaliųjų vežimėlis. Jis nenorėjo pasiduoti ir, atlikdamas pratimų seriją, bandė išvystyti paralyžiuotą ranką ir koją. Dėl kasdienio sunkaus darbo po 12 metų jis galėjo ne tik normaliai vaikščioti, bet ir šokti. Jo smegenys labai lėtai ir palaipsniui persijungė taip, kad nepaveiktos jų dalys galėtų atlikti normaliam judėjimui reikalingas funkcijas.
Paranormalūs sugebėjimai
Smegenų plastiškumas nėra vienintelė savybė, kuri stebina mokslininkus. Neuromokslininkai neignoruoja tokių reiškinių kaip telepatija ar aiškiaregystė. Laboratorijose atliekami eksperimentai, siekiant įrodyti arba paneigti tokių gebėjimų galimybę. Amerikiečių ir anglų mokslininkų atlikti tyrimai pateikia įdomių rezultatų, leidžiančių manyti, kad jų egzistavimas nėra mitas. Tačiau neuromokslininkai dar nepriėmė galutinio sprendimo: oficialiajam mokslui vis dar egzistuoja tam tikros ribos, kas įmanoma, o žmogaus smegenys, kaip manoma, negali jų peržengti.
Dirbk su savimi
Vaikystėje, kai „vietos“ neradę neuronai miršta, dingsta galimybė viską prisiminti iš karto. Vadinamoji eidetinė atmintis vaikams pasitaiko gana dažnai, tačiau suaugusiems ji yra itin didelė retas reiškinys. Tačiau žmogaus smegenys yra organas ir, kaip ir bet kuri kita kūno dalis, jas galima treniruoti. Tai reiškia, kad galite pagerinti savo atmintį, pagerinti intelektą ir ugdyti kūrybinį mąstymą. Tik svarbu atminti, kad žmogaus smegenų vystymasis nėra vienos dienos reikalas. Treniruotės turėtų būti reguliarios, nepaisant jūsų tikslų.
Neįprasta
Nauji ryšiai užsimezga tuo momentu, kai žmogus kažką daro kitaip nei įprastai. Paprasčiausias pavyzdys: Yra keli būdai patekti į darbą, bet iš įpročio visada pasirenkame tą patį. Užduotis – kiekvieną dieną pasirinkti naują kelią. Šis elementarus veiksmas duos vaisių: smegenys bus priverstos ne tik nustatyti kelią, bet ir registruoti naujus vaizdinius signalus, ateinančius iš anksčiau nežinomų gatvių ir namų.
Tokie mokymai taip pat apima kairiosios rankos naudojimą ten, kur yra įpratusi dešinė ranka (ir atvirkščiai, kairiarankiams). Rašyti, rašyti, laikyti pelę taip nepatogu, bet, kaip rodo eksperimentai, po mėnesio tokių mokymų gerokai padidės kūrybiškas mąstymas ir fantazija.
Skaitymas
Apie knygų naudą mums pasakojama nuo vaikystės. Ir tai ne tušti žodžiai: skaitymas padidina smegenų veiklą, priešingai nei televizoriaus žiūrėjimas. Knygos padeda lavinti vaizduotę. Prie jų dera kryžiažodžiai, galvosūkiai, loginiai žaidimai ir šachmatai. Jie skatina mąstymą ir verčia mus panaudoti tas smegenų galimybes, kurios dažniausiai nėra paklausios.
Fiziniai pratimai
Kiek žmogaus smegenys dirba visu pajėgumu ar ne, priklauso ir nuo viso organizmo apkrovos. Įrodyta, kad fizinis lavinimas praturtinant kraują deguonimi teigiamai veikia smegenų veiklą. Be to, pagerėja malonumas, kurį kūnas gauna reguliariai mankštindamasis bendra būklė ir nuotaika.
Egzistuoja didelis skaičius būdai padidinti smegenų veiklą. Tarp jų yra ir specialiai sukurtų, ir itin paprastų, kurių patys to nežinodami griebiames kasdien. Svarbiausia yra nuoseklumas ir reguliarumas. Jei kiekvieną pratimą atliksite vieną kartą, reikšmingo efekto nebus. Iš pradžių atsirandantis diskomforto jausmas nėra priežastis mesti rūkyti, o signalas, kad šis pratimas priverčia dirbti smegenis.
Visa kompiuterių mokslo istorija susiveda į tai, kad mokslininkai bando suprasti, kaip veikia žmogaus smegenys, ir atkurti kažką panašaus savo galimybėmis. Kaip tiksliai tai tiria mokslininkai? Įsivaizduokime, kad XXI amžiuje į Žemę atvyksta ateiviai, niekada nematę mums įprastų kompiuterių, ir pabandykime ištirti tokio kompiuterio sandarą. Greičiausiai jie pradės matuodami įtampas ant laidininkų ir išsiaiškins, kad duomenys perduodami dvejetainiu pavidalu: tiksli įtampos reikšmė nėra svarbi, svarbu tik jos buvimas ar nebuvimas. Tada galbūt jie supras, kad visos elektroninės grandinės yra sudarytos iš tų pačių „loginių vartų“, turinčių įėjimą ir išėjimą, o signalas grandinėje visada sklinda ta pačia kryptimi. Jei ateiviai bus pakankamai protingi, jie galės išsiaiškinti, kaip veikia kombinacinės grandinės – vien jų pakanka gana sudėtingiems skaičiavimo įrenginiams sukurti. Galbūt ateiviai išsiaiškins laikrodžio signalo ir grįžtamojo ryšio vaidmenį; bet mažai tikėtina, kad jie, tyrinėdami modernų procesorių, galės atpažinti jame von Neumann architektūrą su bendra atmintis, programų skaitiklis, registrų rinkinys ir kt. Faktas yra tas, kad po keturiasdešimties metų našumo vaikymosi procesoriuose atsirado visa „atsiminimų“ hierarchija su protingais sinchronizavimo protokolais tarp jų; keli lygiagrečiai vamzdynai su atšakų prognozėmis, todėl „programų skaitiklio“ sąvoka iš tikrųjų praranda prasmę; Kiekviena instrukcija turi savo registro turinį, susietą su ja ir pan. Norint įdiegti mikroprocesorių, pakanka kelių tūkstančių tranzistorių; kad jos produktyvumas pasiektų mums įprastą lygį, reikia šimtų milijonų. Šio pavyzdžio esmė ta, kad atsakyti į klausimą „kaip veikia kompiuteris? nereikia suprasti, kaip veikia šimtai milijonų tranzistorių: jie tik užgožia paprastą idėją, kuria grindžiama mūsų kompiuterių architektūra.
Neuronų modeliavimas
Žmogaus smegenų žievę sudaro apie šimtas milijardų neuronų. Istoriškai smegenų funkcionavimą tyrinėjantys mokslininkai visą šią kolosalią struktūrą bandė aprėpti savo teorija. Smegenų sandara apibūdinama hierarchiškai: žievė susideda iš skilčių, skilčių – iš „hiperkolonų“, tos – iš „minikolonų“... Minikoloną sudaro apie šimtas atskirų neuronų.Analogiškai su kompiuterio sandara, didžioji dauguma šių neuronų reikalingi greičiui ir efektyvumui, atsparumui gedimams ir pan.; bet pagrindinių smegenų principų lygiai taip pat neįmanoma aptikti mikroskopu, kaip neįmanoma aptikti programų skaitiklio tiriant mikroprocesorių mikroskopu. Todėl vaisingesnis požiūris yra pabandyti suprasti smegenis žemiausiame lygyje, atskirų neuronų ir jų kolonų lygyje; ir tada, remdamiesi jų savybėmis, pabandykite atspėti, kaip galėtų veikti visos smegenys. Kažką panašaus, ateiviai, supratę loginių vartų veikimą, ilgainiui iš jų galėtų sukurti paprastą procesorių – ir įsitikinti, kad jis savo galimybėmis prilygsta tikriems procesoriams, nors jie yra daug sudėtingesni ir galingesni.
Viršuje esančiame paveikslėlyje kūnas neuronas (kairėje) - maža raudona dėmė apačioje; Visa kita - dendritų, neurono „įėjimai“ ir vienas aksonas, „išeiti“. Išilgai dendritų yra įvairių spalvų taškai sinapsės, kuriuo neuronas jungiasi su kitų neuronų aksonais. Neuronų veikimas aprašomas labai paprastai: kai ant aksono atsiranda įtampos „smailė“ virš slenksčio lygio (tipinė smailės trukmė 1 ms, lygis 100 mV), sinapsė „prasilaužia“ ir įtampos šuoliai pereina į dendritą. . Šiuo atveju viršįtampis „išlyginamas“: pirma, įtampa per 5...20 ms išauga iki maždaug 1 mV, tada eksponentiškai mažėja; taigi pliūpsnio trukmė pailgėja iki ~50ms.
Jei suaktyvinamos kelios vieno neurono sinapsės per trumpą laiko tarpą, tada kiekvieno iš jų neurone sužadinti „išlyginti pliūpsniai“ sumuojasi. Galiausiai, jei vienu metu aktyvios pakankamai sinapsių, tai neurono įtampa pakyla virš slenksčio lygio, o jo paties aksonas „pramuša“ prie jo prijungtų neuronų sinapses.
Kuo galingesni buvo pradiniai sprogimai, tuo greičiau auga išlyginti pliūpsniai ir tuo trumpesnis bus delsimas, kol bus suaktyvinti kiti neuronai.
Be to, yra „slopinančių neuronų“, kurių aktyvavimas nuleidžia bendra su juo prijungtų neuronų įtampa. Tokie slopinamieji neuronai sudaro 15...25% viso skaičiaus.
Kiekvienas neuronas turi tūkstančius sinapsių; bet kuriuo metu aktyvios ne daugiau kaip dešimtoji visų sinapsių. Neuronų reakcijos laikas – ms vienetai; ta pati vėlavimo tvarka signalo sklidimui palei dendritą, t.y. šie vėlavimai daro didelę įtaką neurono veiklai. Galiausiai pora gretimų neuronų, kaip taisyklė, yra sujungta ne viena sinapse, o maždaug keliolika – kiekvienas turi savo atstumą iki abiejų neuronų kūnų, taigi ir savo uždelsimo trukmę. Dešinėje iliustracijoje du neuronai, pavaizduoti raudonai ir mėlynai, yra sujungti šešiomis sinapsėmis.
Kiekviena sinapsė turi savo „atsparumą“, kuris sumažina gaunamą signalą (aukščiau pateiktame pavyzdyje - nuo 100 mV iki 1 mV). Šis pasipriešinimas yra dinamiškai koreguojamas: jei suaktyvinama sinapsė tik prieš aksono aktyvavimas - tada, matyt, signalas iš šios sinapsės gerai koreliuoja su bendru išėjimu, todėl pasipriešinimas mažėja ir signalas labiau prisidės prie neurono įtampos. Jei sinapsė aktyvuota iš karto po aksono aktyvacija – tada, matyt, šios sinapsės signalas nebuvo susijęs su aksono aktyvavimu, todėl sinapsės pasipriešinimas didėja. Jei du neuronai yra sujungti keliomis sinapsėmis su skirtinga vėlavimo trukme, tai šis pasipriešinimo reguliavimas leidžia pasirinkti optimalų vėlavimą, arba optimalų vėlavimų derinį: signalas pradeda ateiti būtent tada, kai jis yra naudingiausias.
Taigi, neuronų tinklo tyrinėtojų priimtas neurono modelis – su vienu ryšiu tarp neuronų poros ir momentinio signalo sklidimo iš vieno neurono į kitą – labai toli nuo biologinio vaizdo. Be to, tradiciniai neuroniniai tinklai neveikia laikas atskirų sprogimų, ir juos dažnis: Kuo dažniau smailės neuronų įvesties šuolis, tuo dažniau šuolis bus išvestis. Tos neuronų struktūros detalės, kurios tradiciniame modelyje yra atmestos – ar jos yra būtinos ar nesvarbios apibūdinant smegenų darbą? Neuromokslininkai sukaupė daugybę stebėjimų apie neuronų struktūrą ir elgesį, tačiau kurie iš šių stebėjimų atskleidžia bendrą vaizdą, o kurie yra tik „įgyvendinimo detalės“ ir, kaip ir procesoriaus šakos numatytojas, nieko nedaro. išskyrus veiklos efektyvumą? Jamesas mano, kad būtent laikinosios neuronų sąveikos ypatybės leidžia mums priartėti prie problemos supratimo; kad asinchronija yra tokia pat svarbi smegenų veiklai kaip sinchronija kompiuterio veikimui.
Kita „įgyvendinimo detalė“ yra neurono nepatikimumas: su tam tikra tikimybe jis gali suaktyvėti spontaniškai, net jei jo dendritų įtampų suma nepasiekia slenksčio lygio. Dėl šios priežasties neuronų kolonos „mokymas“ gali prasidėti nuo bet kokio pakankamai didelio pasipriešinimo visose sinapsėse: iš pradžių joks sinapsių aktyvacijų derinys nesukels aksono aktyvacijos; tada dėl spontaniškų sprogimų sumažės sinapsių, kurios buvo aktyvuotos prieš pat šiuos savaiminius sprogimus, atsparumas. Tokiu būdu neuronas pradės atpažinti konkrečius įvesties sprogimų „modelius“. Svarbiausia, modeliai panašus Taip pat bus atpažinti tie, kuriuose neuronas buvo treniruotas, tačiau aksono smaigalys bus silpnesnis ir (arba) vėliau, tuo mažiau neuronas „pasitiki“ rezultatu. Treniruoti neuronų stulpelį yra daug efektyviau nei treniruoti įprastą neuroninį tinklą: neuronų stulpeliui nereikia kontrolinio atsako mėginiams, ant kurių jis treniruojamas – iš tikrųjų tai nėra atpažįsta, A klasifikuojaįvesties modeliai. Be to, treniruojame neuronų koloną lokalizuota- sinapsės pasipriešinimo pokytis priklauso tik nuo dviejų juo sujungtų neuronų elgesio, o ne kitų. Dėl to treniruotės lemia pasipriešinimo pasikeitimą signalo kelyje, o treniruojant neuroninį tinklą, svoriai keičiasi priešinga kryptimi: nuo arčiausiai išvesties esančių neuronų iki arčiausiai įvesties esančių neuronų.
Pavyzdžiui, čia yra neuronų stulpelis, išmokytas atpažinti pliūpsnio šabloną (8,6,1,6,3,2,5) – reikšmės nurodo kiekvienos įvesties serijos trukmę. Treniruotės metu vėlavimai sureguliuojami taip, kad tiksliai atitiktų atpažintą modelį, kad teisingo modelio sukelta aksono įtampa būtų maksimali (7):
Tas pats stulpelis reaguos į panašų įvesties modelį (8,5,2,6,3,3,4) su mažesniu smaigaliu (6), o įtampa slenkstinį lygį pasieks pastebimai vėliau:
Galiausiai, slopinamieji neuronai gali būti naudojami norint pateikti „grįžtamąjį ryšį“: pavyzdžiui, kaip parodyta iliustracijoje dešinėje, slopinant pasikartojančius išvesties šuolius, kai įvestis ilgas laikas išlieka aktyvus; arba nuslopinkite išvesties šuolį, jei jis per vėluoja, palyginti su įvesties signalais - kad klasifikatorius būtų „kategoriškesnis“; arba modelio atpažinimo neuroninėje grandinėje skirtingus klasifikatorių stulpelius gali sujungti slopinantys neuronai, kad vieno klasifikatoriaus aktyvavimas automatiškai slopintų visus kitus klasifikatorius.
Vaizdo atpažinimas
Kad atpažintų ranka rašytus skaičius iš MNIST duomenų bazės (28x28 pikseliai pilkos spalvos tonais), Jamesas surinko penkių sluoksnių „konvoliucinio neuroninio tinklo“ analogą iš aukščiau aprašytų klasifikatoriaus stulpelių. Kiekviena iš 64 stulpelių pirmame sluoksnyje apdoroja 5 x 5 pikselių fragmentą iš pradinio vaizdo; tokie fragmentai persidengia. Antrojo sluoksnio stulpeliai apdoroja keturias pirmojo sluoksnio išvestis, kurios atitinka 8x8 pikselių fragmentą iš pradinio vaizdo. Trečiasis sluoksnis turi tik keturis stulpelius – kiekvienas atitinka 16x16 pikselių fragmentą. Ketvirtasis sluoksnis – galutinis klasifikatorius – padalija visus vaizdus į 16 klasių: klasė priskiriama pagal tai, kuris neuronas aktyvuojamas pirmiausia. Galiausiai, penktasis sluoksnis yra klasikinis perceptronas, koreliuojantis 16 klasių su 10 valdymo atsakymų.
Klasikiniai neuroniniai tinklai, pagrįsti MNIST, pasiekia 99,5% ir net didesnį tikslumą; Tačiau, pasak Jameso, jo „hiperkolonas“ treniruojasi daug mažesniu iteracijų skaičiumi dėl to, kad pokyčiai sklinda signalo keliu ir todėl paveikia mažiau neuronų. Kalbant apie klasikinį neuronų tinklą, „hiperkolonos“ kūrėjas nustato tik jungčių tarp neuronų konfigūraciją ir visas kiekybines hiperkolonos charakteristikas – t.y. skirtingų vėlavimų sinapsių atsparumas – įgyjamas automatiškai mokymosi proceso metu. Be to, hiperstulpelio veikimui reikia eilės tvarka mažiau neuronų nei panašių galimybių neuroniniam tinklui. Kita vertus, tokių „analoginių neuroschemų“ modeliavimas elektroninis kompiuterisšiek tiek apsunkina tai, kad, skirtingai nei skaitmeninės grandinės, kurios dirba su diskretiškais signalais ir atskirais laiko intervalais, neuronų grandinių veikimui svarbus įtampos pokyčių tęstinumas ir neuronų asinchronija. Jamesas tvirtina, kad pakanka 0,1 ms modeliavimo žingsnio, kad jo atpažintuvas veiktų tinkamai; tačiau jis nenurodė, kiek „realaus laiko“ užtrunka klasikinio neuroninio tinklo mokymas ir veikimas bei kiek reikia jo treniruokliui apmokyti ir valdyti. Jis pats jau seniai išėjęs į pensiją, ir Laisvalaikis jis atsideda savo analoginių neuronų grandinių tobulinimui.
Priežastis parašyti šį straipsnį buvo amerikiečių neurologų paskelbta medžiaga žmogaus smegenų atminties talpos matavimo tema, kuri buvo pateikta „GeekTimes“ dieną prieš tai.
Parengtoje medžiagoje pabandysiu paaiškinti atminties funkcionavimo mechanizmus, ypatumus, funkcionalumą, struktūrines sąveikas ir ypatumus. Taip pat kodėl neįmanoma nubrėžti analogijų su kompiuteriais smegenų darbe ir atlikti skaičiavimus mašinų kalbos vienetais. Straipsnyje naudojama medžiaga, paimta iš žmonių, savo gyvenimą atidavusių sunkiam darbui tiriant citoarchitektoniką ir morfogenetiką, darbų, patvirtintų praktikoje ir turinčių rezultatų įrodymais pagrįsta medicina. Visų pirma, naudojami S. V. Saveljevo duomenys. mokslininkas, evoliucionistas, paleoneurologas, biologijos mokslų daktaras, profesorius, Rusijos mokslų akademijos Žmogaus morfologijos instituto Nervų sistemos raidos laboratorijos vadovas.
Prieš pradėdami nagrinėti problemą ir problemą kaip visumą, suformuluosime pagrindines idėjas apie smegenis ir pateiksime daugybę paaiškinimų, leidžiančių visiškai įvertinti pateiktą požiūrį.
Pirmas dalykas, kurį turėtumėte žinoti: žmogaus smegenys yra labiausiai kintantis organas, jos skiriasi tarp vyrų ir moterų, rasinių ir etninių grupių, kintamumas yra tiek kiekybinis (smegenų masė), tiek kokybinis (smegenų ir vingių organizavimas). Skirtumas turi skirtingus variantus, pasirodo, yra daugiau nei dvigubai didesnis.
Antra: smegenys yra daugiausiai energijos sunaudojantis organas Žmogaus kūnas. Turėdamas 1/50 kūno svorio, jis sunaudoja 9% viso kūno energijos rami būsena, pavyzdžiui, kai gulite ant sofos ir 25% viso kūno energijos, kai pradedate aktyviai mąstyti, yra didžiulės išlaidos.
Trečia: dėl didelio energijos suvartojimo smegenys yra gudrios ir selektyvios, bet koks nuo energijos priklausomas procesas yra nepalankus organizmui, tai reiškia, kad be ypatingos biologinės būtinybės toks procesas nebus palaikomas ir smegenys bando tausoti organizmo resursus bet kokiomis priemonėmis.
Čia yra, ko gero, trys pagrindiniai dalykai visas sąrašas smegenų ypatybės, kurių prireiks analizuojant žmogaus atminties mechanizmus ir procesus.
Kas yra atmintis? Atmintis yra nervų ląstelių funkcija. Atmintis neturi atskiros, pasyvios energijos Ne brangi lokalizacija, kuri yra mėgstama fiziologų ir psichologų, nematerialių atminties formų idėjos šalininkų tema, kurią paneigia liūdna patirtis klinikinė mirtis, kai smegenys nustoja gauti reikiamą kraujo tiekimą ir praėjus maždaug 6 minutėms po klinikinės mirties, prasideda negrįžtami procesai ir negrįžtamai išnyksta prisiminimai. Jei atmintis turėtų energijos Ne priklausomas šaltinis, ją būtų galima atkurti, tačiau taip neįvyksta, o tai reiškia, kad atmintis yra dinamiška ir nuolat kainuoja jos priežiūra.
Svarbu žinoti, kad neuronai, lemiantys žmogaus atmintį, pirmiausia yra neokortoksuose. Neokortekse yra apie 11 mlrd. neuronų ir daug kartų daugiau glia. (Glia yra nervų sistemos ląstelių rūšis. Glia yra neuronų aplinka; glijos ląstelės tarnauja kaip neuronus atraminis ir apsauginis aparatas. Glijos ląstelių metabolizmas yra glaudžiai susijęs su juos supančių neuronų metabolizmu.
Neokorteksas:
Glia, neuronų jungtys:
Gerai žinoma, kad informacija saugoma atmintyje skirtingas laikas, yra tokios sąvokos kaip ilgalaikė ir trumpalaikė atmintis. Įvykiai ir reiškiniai greitai pamirštami, jei jie nėra atnaujinami ir kartojami – tai dar vienas atminties dinamiškumo patvirtinimas. Informacija tam tikru būdu išsaugoma, bet nesant paklausos ji išnyksta.
Kaip minėta anksčiau, atmintis yra nuo energijos priklausomas procesas. Nėra energijos – nėra atminties. Atminties energetinės priklausomybės pasekmė yra jos turinio nestabilumas. Prisiminimai apie praeities įvykius yra suklastoti laike iki visiško neadekvatumo. Atmintis neskaičiuoja laiko, bet ją pakeičia užmiršimo greitis. Bet kokio įvykio atmintis mažėja atvirkščiai proporcingai laikui. Per valandą pamirštama ½ visko, kas yra atmintyje, per dieną – 2/3, per mėnesį – 4/5.
Panagrinėkime atminties veikimo principus, pagrįstus jos darbo rezultatų biologiniu tikslingumu. Fiziniai komponentai prisiminimai susideda iš nervų takų, jungiančių vieną ar daugiau ląstelių. Jie apima laipsniško ir aktyvaus signalo laidumo zonas, įvairios sistemos neuronų sinapsės ir ląstelių kūnai. Įsivaizduokime įvykį ar reiškinį. Vyras susidūrė su nauja, tačiau gana svarbia situacija. Per tam tikrus jutimo ryšius ir jutimo organus žmogus gaudavo įvairios informacijos, įvykio analizė pasibaigdavo apsisprendimu. Tuo pačiu metu žmogus yra patenkintas rezultatu. Nervų sistemoje yra likęs liekamasis sužadinimas – signalų judėjimas tinklais, kuriais buvo sprendžiama problema. Tai vadinamosios „senosios grandinės“, egzistavusios prieš situaciją, kai reikėjo prisiminti informaciją. Išlaikyti skirtingų informacinių signalų cirkuliaciją vienoje struktūrinėje grandinėje yra labai daug energijos reikalaujanti. Nes turint omenyje nauja informacija paprastai sunku. Pasikartojimų ar panašių situacijų metu gali susiformuoti nauji sinapsiniai ryšiai tarp ląstelių ir tuomet gauta informacija įsimenama ilgam. Taigi, įsiminimas yra neuronų liekamojo aktyvumo išsaugojimas smegenų srityje.
Smegenų atmintis yra priverstinė kompensacinė nervų sistemos reakcija. Visa informacija saugoma laikinai. Išlaikyti trumpalaikės atminties stabilumą ir signalų suvokimą iš išorės yra energetiškai itin brangu, į tas pačias ląsteles atkeliauja nauji jaudinantys signalai ir kaupiasi perdavimo klaidos bei išeikvojami energijos ištekliai. Tačiau padėtis nėra tokia bloga, kaip atrodo. Nervų sistema turi ilgalaikę atmintį. Dažnai tai paverčia tikrovę taip, kad originalūs objektai tampa neatpažįstami. Atmintyje saugomo objekto modifikavimo laipsnis priklauso nuo saugojimo laiko. Atmintis išsaugo prisiminimus, bet keičia juos taip, kaip nori savininkas. Pagrinde ilgalaikė atmintis meluoti paprasta ir atsitiktiniai procesai. Faktas yra tas, kad neuronai formuojasi ir naikina savo ryšius per visą savo gyvenimą. Sinapsės nuolat formuojasi ir sunaikinamos. Gana apytiksliai duomenys rodo, kad toks spontaniškas vienos neuronų sinapsės susidarymo procesas žinduoliams gali vykti maždaug 3-4 kartus kas 2-5 dienas. Užstatų, turinčių šimtus skirtingų sinapsių, išsišakojimas vyksta kiek rečiau. Naujas polisinapsinis užstatas susidaro per 40-45 dienas. Kadangi šie procesai vyksta kiekviename neurone, visiškai įmanoma įvertinti bet kurio gyvūno kasdienę ilgalaikę atmintį. Galima tikėtis, kad žmogaus smegenų žievėje kasdien susiformuos apie 800 milijonų naujų jungčių tarp ląstelių ir maždaug tiek pat bus sunaikinta. Ilgalaikė atmintis – tai įtraukimas į naujai suformuotą sričių tinklą su visiškai nenaudojamais, naujai susiformavusiais kontaktais tarp ląstelių. Kuo daugiau naujų sinapsinių kontaktų įtraukiama į pirminės (trumpalaikės) atminties tinklą, tuo didesnė tikimybė, kad šis tinklas išliks ilgą laiką.
Informacijos prisiminimas ir pamiršimas. Trumpalaikė atmintis suformuotas esamų ryšių pagrindu. Jo išvaizda rodoma oranžinėmis rodyklėmis fragmente b. Signalai, kuriuose yra ir senos (violetinės rodyklės), ir naujos (oranžinės rodyklės) informacijos, cirkuliuoja tais pačiais takais. Tai lemia itin brangų ir trumpalaikį naujos informacijos, pagrįstos senais ryšiais, saugojimą. Jei tai nėra svarbu, sumažėja energijos sąnaudos jo priežiūrai ir atsiranda užmiršimas. Saugant „trumpalaikę“, bet dabar reikalingą informaciją, tarp ląstelių formuojasi nauji fiziniai ryšiai išilgai a-b-c fragmentų. Dėl to atsiranda ilgalaikė atmintis, pagrįsta naujai suformuotų jungčių naudojimu (geltonos rodyklės). Jei informacija ilgą laiką lieka nepareikalauta, ji pakeičiama kita informacija. Tokiu atveju ryšiai gali nutrūkti ir užsimiršti. fragmentai b-b-a arba in-a (mėlynos rodyklės).
Iš to, kas pasakyta, aišku, kad smegenys yra dinamiška struktūra, nuolat atkuriamos ir turi tam tikras fiziologines ribas, o smegenys taip pat yra pernelyg daug energijos eikvojantis organas. Smegenys yra ne fiziologinės, o morfogenetinės, todėl jų veikla yra neteisinga ir neteisinga išmatuoti sistemose naudojamose ir taikomose. Informacinės technologijos. Dėl individualaus smegenų kintamumo negalima daryti išvadų, kurios apibendrintų įvairias funkciniai rodikliaižmogaus smegenys. Matematiniai metodai Jie taip pat netaikomi skaičiuojant struktūrinę sąveiką žmogaus smegenų darbe dėl nuolatinės nervinių ląstelių ir jų tarpusavio ryšių kaitos, sąveikos ir restruktūrizavimo, o tai savo ruožtu priveda iki absurdo Amerikos mokslininkų darbai. tiria žmogaus smegenų atminties galimybes.
