Mozog je najkomplexnejší organizovaný orgán osoba. Koniec koncov, je zodpovedný za prácu všetkých orgánov, ako aj mnohých zložité procesy, ako je pamäť, myslenie, pocity, reč. Okrem toho je ľudský mozog zodpovedný aj za vedomie. Poďme zistiť, ako funguje mozog.
Mozog je centrálnym orgánom nervového systému. Nachádza sa v lebke, čo ju chráni pred poškodením a vystavením teplote. U dospelého človeka váži mozog v priemere 1,4 kg a na pohľad vyzerá ako veľký orech. Mozog pozostáva zo šedej a bielej hmoty, ktoré pozostávajú z nervové bunky A nervové vlákna. Neuróny vysielajú a prijímajú elektrické signály do všetkých orgánov tela prostredníctvom siete nervových zakončení. Mozog a miecha, ako aj nervových zakončení v celom tele tvoria ľudský nervový systém.
Anatomicky sa mozog skladá z troch hlavných častí – mozgový kmeň, hemisféry a mozoček. Okrem toho sú v mozgu žľazy vnútorná sekrécia ako je talamus a hypotalamus. Pozrime sa na funkcie a štruktúru jednotlivých častí, aby sme lepšie pochopili, ako funguje ľudský mozog.
Hemisféry mozgu
Jeho najväčšou časťou sú hemisféry mozgu. Tvoria približne 90 % celkového objemu. Hemisféry rozdeľujú mozog na dve približne rovnaké časti, spojené hustým mostom - corpus callosum. Štruktúra hemisfér pozostáva zo šedej a bielej hmoty. Sivá hmota tvorí povrch mozgu a je tvorená zložitými nervovými bunkami, ktoré generujú elektrické impulzy. A Biela hmota, ktorý sa nachádza vo vnútri hemisfér, pozostáva z nervových vlákien. Prenášajú signály do celého tela.
Zložitá štruktúra mozgových hemisfér im umožňuje, aby boli zodpovedné za mnohé funkcie ľudského tela, z ktorých väčšina sa týka vyšších duševnej činnosti, napríklad pamäť, myslenie atď. Fyziologicky to predstavuje jasné rozdelenie na zóny, ktoré nie sú zvonku viditeľné. Každá zóna je zodpovedná za určité ľudské funkcie. Viac o tom, za čo sú hemisféry zodpovedné, sa dozviete v jednom z našich článkov – „“.
Cerebellum
Cerebellum sa nachádza v zadnej časti mozgu, tesne pod zadnou časťou hlavy. Mozoček prijíma motorické signály z hemisfér, následne ich triedi, konkretizuje a vysiela signály do konkrétnych svalov alebo šliach. Mozoček je zodpovedný za pohyby jednotlivých svalov a celkovú plynulosť a koordináciu pohybov človeka.
Mozgový kmeň
Mozgový kmeň je v základni a spája mozog s miechou. Mozgový kmeň je zodpovedný za životne dôležité automatické procesy, ako je srdcový tep, trávenie, telesná teplota, dýchanie atď.
Hypotalamus a talamus
Hypotalamus je endokrinná žľaza, ktorá je zodpovedná za mnohé komplexné funkcie a ľudské prejavy. Napríklad ovláda hlad, spánok, smäd a silné emócie- hnev, radosť, strach. Hypotalamus sa nachádza v hornej časti mozgového kmeňa.
Talamus je zasa koordinátorom všetkých ľudských žliaz. Talamus nie je väčší ako hrášok, reguluje uvoľňovanie všetkých hormónov v tele.
Ako funguje mozog: vnútorný proces
Práca mozgu sa na prvý pohľad zdá byť mimoriadne jednoduchá. Nervové impulzy, vstupujú do jednej hemisféry, kde sa čítajú a spracúvajú. Potom sú odoslané do požadovanej časti tela. Mimochodom, signály prichádzajúce z pravá strana telá sú posielané do ľavej hemisféry.
Vo všeobecnosti môžeme povedať, že mozog je orgán, ktorý riadi všetky procesy v tele. Pomocou neurónovej siete usmerňuje telo ako vodič a naznačuje, čo a ktorý orgán má robiť.
Neurónová sieť človeka pozostáva z nervových buniek – neurónov. Vo svojej štruktúre majú niekoľko vstupov - dendritov a jeden výstup - axón. Dá sa povedať, že neurón prijíma veľa signálov, zhŕňa ich a vytvára jeden spoločný výstupný signál, ktorý sa prenáša ďalej. Ľudské neuróny majú schopnosť „učiť sa“ - v priebehu života môžu meniť svoje prahové množstvo signálov. Keď neuróny zvýšia súčet signálov, človek sa učí, a keď sa súčet signálov zníži, človek zabudne alebo stratí zručnosť.
Teraz viete, ako funguje mozog. Predpokladá sa, že mozog je mnohokrát výkonnejší ako ktorýkoľvek počítač, ktorý bol kedy vytvorený. V ľudskom mozgu je asi 100 miliárd nervových buniek, ktoré neustále odumierajú a objavujú sa a tiež majú tendenciu sa vyvíjať.
Aby sa mozog neustále vyvíjal, potrebuje pracovať. Praktické rady na to nájdete v jednom z našich článkov - "
Akýkoľvek koncept je odhalený prostredníctvom množstva princípov (z latinského principium - základ), vrátane konceptu vzťahu medzi mozgom a psychikou. V dielach A.R. Luria, E.D. Chomsky, O.S. Adriánová, L.S. Tsvetková, N.P. Bekhtereva a ďalší zhŕňajú základné princípy štruktúry a fungovania mozgu. Vďaka týmto výskumníkom je možné v organizácii mozgu identifikovať ako všeobecné zásadyštruktúra a fungovanie, charakteristické pre všetky makrosystémy a dynamicky sa meniace individuálnych charakteristík tieto systémy.
A.R. Luria zdôrazňuje nasledujúce zásady vývoj a štruktúra mozgu ako orgánu psychiky:
- - princíp evolučného vývoja, ktorý spočíva v tom, že na rôznych stupňoch evolúcie boli vzťahy organizmu s prostredím a jeho správanie regulované rôznymi aparátmi nervového systému, a preto je ľudský mozog produktom dlhého obdobia. evolučný vývoj;
- - princíp zachovania starých štruktúr, ktorý predpokladá, že bývalé mozgové aparáty sú zachované, ustupujúce popredné miesto nové formácie a získavanie novú rolu. Stále viac sa stávajú aparátmi, ktoré poskytujú zázemie pre správanie;
- - princíp vertikálnej štruktúry funkčných systémov mozgu, to znamená, že každá forma správania je zabezpečená spoločnou prácou rôzne úrovne nervový aparát, prepojený vzostupnými aj zostupnými spojeniami, čím sa mozog mení na samoregulačný systém;
- - princíp hierarchickej interakcie rôznych systémov mozgu, podľa ktorého vzruch vznikajúci v periférnych zmyslových orgánoch prichádza najskôr do primárnych (projekčných) zón, potom sa šíri do sekundárnych zón kôry, ktoré zohrávajú integračnú úlohu, spájajúc somatotopické projekcie vzruchov vznikajúcich na periférii do komplexných funkčných systémov. Tento princíp v podstate zabezpečuje integračnú činnosť mozgu;
- - princíp somatotopickej organizácie primárnych zón mozgovej kôry, podľa ktorého každá časť tela zodpovedá presne definovaným bodom kôry mozgových hemisfér(bodka k bodke).
- - princíp funkčnej organizácie kôry, odrážajúci vzťah medzi úlohou funkcie a jej projekciou v mozgovej kôre: čo vyššiu hodnotu má jedno alebo druhé funkčný systém, čím väčšia je plocha, ktorú zaberá jeho projekcia v primárnych častiach mozgovej kôry. Ilustráciou tohto princípu sú známe Penfieldove schémy; psychika mozgu neuroanatomická
- - princíp progresívnej kortikolizácie, ktorej podstatou je, že čím vyššie stojí zviera na evolučnom rebríčku, tým viac je jeho správanie regulované kôrou a tým viac sa zvyšuje diferencovanosť týchto regulácií.
Okrem toho A.R. Luria poukázal na to, že formovanie ľudskej duševnej činnosti postupuje od jednoduchých k zložitejším, nepriamym formám.
O.S. Adrianov, ktorý dopĺňa a rozvíja vedu o mozgu, sformuloval dva princípy:
- - princíp viacúrovňovej interakcie vertikálne organizovaných dráh excitácie, ktorý poskytuje príležitosti na rôzne druhy spracovanie aferentných signálov;
- - princíp hierarchickej podriadenosti rôznych mozgových systémov, vďaka čomu sa znižuje počet stupňov voľnosti každého systému a je možné ovládať jednu úroveň hierarchie druhou.
E.D. Chomského na základe moderné nápady o základných princípoch organizácie mozgu ako substrátu psychiky, zdôvodňuje dva základné princípy teórie lokalizácie vyšších psychických funkcií:
- - princíp systémovej lokalizácie funkcií (každý mentálnej funkcie spolieha na komplexné vzájomne prepojené štruktúrne a funkčné systémy mozgu);
- - princíp dynamickej lokalizácie funkcií (každá mentálna funkcia má dynamickú, premenlivú organizáciu mozgu, odlišnú v Iný ľudia a v rôzneho veku ich životy).
Vyššie uvedené hlavné princípy štruktúrnej a funkčnej organizácie mozgu sú formulované na základe analýzy neuroanatomických údajov.
Najväčšou záhadou pre vedcov nie je rozľahlosť vesmíru či vznik Zeme, ale ľudský mozog. Jeho schopnosti presahujú možnosti akéhokoľvek moderného počítača. Myslenie, predpovedanie a plánovanie, emócie a pocity a napokon vedomie – všetky tieto procesy vlastné ľuďom, tak či onak, prebiehajú v malom priestore lebky. Job ľudský mozog a jeho štúdium sú prepojené oveľa silnejšie ako akékoľvek iné objekty a metódy výskumu. IN v tomto prípade sú takmer totožné. Ľudský mozog sa študuje pomocou ľudského mozgu. Schopnosť pochopiť procesy prebiehajúce v hlave v skutočnosti závisí od schopnosti „mysliaceho stroja“ poznať sám seba.
Štruktúra
Dnes sa o štruktúre mozgu vie pomerne veľa. Skladá sa z dvoch pologúľ pripomínajúcich polovice orech, pokrytý tenkou šedou škrupinou. Toto je mozgová kôra. Každá z polovíc je konvenčne rozdelená na niekoľko podielov. Najstaršie časti mozgu z evolučného hľadiska, limbický systém a mozgový kmeň, sa nachádzajú pod corpus callosum, ktoré spája dve hemisféry.
Ľudský mozog sa skladá z niekoľkých typov buniek. Väčšina z z nich sú gliové bunky. Vykonávajú funkciu spájania iných prvkov do jedného celku a tiež sa podieľajú na zosilňovaní a synchronizácii elektrickej aktivity. Asi desatinu mozgových buniek tvoria neuróny rôzne formy. Vysielajú a prijímajú elektrické impulzy pomocou procesov: dlhé axóny, ktoré prenášajú informácie z tela neurónu ďalej, a krátke dendrity, ktoré prijímajú signály z iných buniek. Kontaktovanie axónov a dendritov vytvára synapsie, miesta, kde sa prenášajú informácie. Dlhý proces uvoľňuje neurotransmiter do dutiny synapsie, Chemická látka, ovplyvňujúci fungovanie bunky, dosahuje dendrit a vedie k inhibícii alebo excitácii neurónu. Signál sa prenáša cez všetky pripojené bunky. Výsledkom je, že práca veľkého počtu neurónov je veľmi rýchlo vzrušená alebo inhibovaná.
Niektoré funkcie vývoja
Ľudský mozog, ako každý iný orgán tela, prechádza určitými štádiami svojho formovania. Dieťa sa rodí takpovediac nie v plnej bojovej pripravenosti: tým sa proces vývoja mozgu nekončí. Jeho najaktívnejšie oddelenia počas tohto obdobia sa nachádzajú v starovekých štruktúrach zodpovedných za reflexy a inštinkty. Kôra funguje horšie, pretože pozostáva z veľkého počtu nezrelých neurónov. S pribúdajúcim vekom ľudský mozog časť týchto buniek stráca, no medzi zvyšnými získava mnoho pevných a usporiadaných spojení. „Extra“ neuróny, ktoré si nenašli miesto vo výsledných štruktúrach, odumierajú. Zdá sa, že to, do akej miery funguje ľudský mozog, závisí skôr od kvality spojení než od počtu buniek.
Bežný mýtus
Pochopenie čŕt vývoja mozgu pomáha určiť rozpor medzi realitou niektorých bežných predstáv o práci tohto orgánu. Existuje názor, že ľudský mozog pracuje o 90 – 95 percent menej, ako dokáže, teda využíva sa asi desatina a zvyšok záhadne spí. Ak si znova prečítate vyššie uvedené, je jasné, že neuróny, ktoré sa nepoužívajú, nemôžu existovať dlho - odumierajú. S najväčšou pravdepodobnosťou je takáto chyba výsledkom myšlienok, ktoré existovali pred nejakým časom, že fungujú iba tie neuróny, ktoré prenášajú impulz. Za jednotku času je však v takom stave len niekoľko buniek, ktoré sú spojené s činnosťami potrebnými pre človeka teraz: pohyb, reč, myslenie. Po niekoľkých minútach alebo hodinách ich vystriedajú iní, ktorí boli predtým „tichí“.
Na práci tela sa teda po určitú dobu podieľa celý mozog, najskôr s niektorými jeho časťami, potom s inými. Súčasná aktivácia všetkých neurónov, ktorá implikuje 100% funkciu mozgu, po ktorej mnohí túžia, môže viesť k určitému skratu: človek bude halucinovať, pociťovať bolesť atď. možné pocity, tras sa celým telom.
Spojenia
Ukazuje sa, že nemôžeme povedať, že niektorá časť mozgu nefunguje. Schopnosti ľudského mozgu však skutočne nie sú plne využívané. Pointa však nie je v „spiacich“ neurónoch, ale v množstve a kvalite spojení medzi bunkami. Akákoľvek opakovaná akcia, pocit alebo myšlienka je fixovaná na úrovni neurónov. Čím viac opakovaní, tým silnejšie spojenie. Preto plnšie používanie mozgu zahŕňa budovanie nových spojení. Na tomto je postavený tréning. Detský mozog ešte nemá stabilné spojenia, formujú sa a posilňujú sa v procese spoznávania sveta. S vekom je čoraz ťažšie robiť zmeny v existujúcej štruktúre, takže deti sa ľahšie učia. Ak však chcete, môžete rozvíjať schopnosti ľudského mozgu v každom veku.
Neuveriteľné, ale pravdivé
Schopnosť vytvárať nové spojenia a znovu sa učiť prináša úžasné výsledky. Sú prípady, keď prekonala všetky hranice možného. Ľudský mozog je nelineárna štruktúra. So všetkou istotou nie je možné identifikovať zóny, ktoré vykonávajú jednu špecifickú funkciu a nie viac. Navyše, ak je to potrebné, časti mozgu môžu prevziať „zodpovednosť“ za poranené oblasti.
To sa stalo Howardovi Rocketovi, ktorý bol v dôsledku mozgovej príhody odsúdený na život. invalidný vozík. Nechcel sa vzdať a pomocou série cvičení sa snažil rozvíjať svoju ochrnutú ruku a nohu. V dôsledku každodennej driny mohol po 12 rokoch nielen normálne chodiť, ale aj tancovať. Jeho mozog sa veľmi pomaly a postupne prepájal tak, aby jeho nezasiahnuté časti mohli vykonávať funkcie potrebné pre normálny pohyb.
Paranormálne schopnosti
Plastickosť mozgu nie je jedinou vlastnosťou, ktorá vedcov udivuje. Neurovedci neignorujú také javy ako telepatia či jasnovidectvo. V laboratóriách sa uskutočňujú experimenty s cieľom dokázať alebo vyvrátiť možnosť takýchto schopností. Výskum amerických a anglických vedcov prináša zaujímavé výsledky naznačujúce, že ich existencia nie je mýtus. Neurovedci však ešte neprijali konečné rozhodnutie: pre oficiálnu vedu stále existujú určité hranice toho, čo je možné, a ľudský mozog, ako sa verí, ich nemôže prekročiť.
Pracujte na sebe
V detstve, keď neuróny, ktoré nenašli „miesto“, odumierajú, schopnosť zapamätať si všetko naraz zmizne. Takzvaná eidetická pamäť sa u detí vyskytuje pomerne často, no u dospelých extrémne zriedkavý jav. Ľudský mozog je však orgán a ako každá iná časť tela sa dá trénovať. To znamená, že môžete zlepšiť svoju pamäť, zlepšiť svoju inteligenciu a rozvíjať kreatívne myslenie. Dôležité je len pripomenúť, že vývoj ľudského mozgu nie je záležitosťou jedného dňa. Tréning by mal byť pravidelný, bez ohľadu na vaše ciele.
Nezvyčajné
Nové spojenia vznikajú v momente, keď človek robí niečo inak ako zvyčajne. Najjednoduchší príklad: Do práce sa dá dostať viacerými spôsobmi, no zo zvyku si vždy vyberieme ten istý. Úlohou je vybrať si každý deň novú cestu. Táto elementárna akcia prinesie ovocie: mozog bude nútený nielen určovať cestu, ale aj registrovať nové vizuálne signály prichádzajúce z dovtedy neznámych ulíc a domov.
Súčasťou takéhoto tréningu je aj používanie ľavej ruky tam, kde je zvyknutá pravá ruka (a naopak, pre ľavákov). Písanie, písanie, držanie myši je také nepohodlné, ale ako ukazujú experimenty, po mesiaci takéhoto tréningu kreatívne myslenie a fantázie.
Čítanie
Už od detstva nám hovorili o výhodách kníh. A nie sú to prázdne slová: čítanie zvyšuje mozgovú aktivitu, na rozdiel od pozerania televízie. Knihy pomáhajú rozvíjať predstavivosť. Zodpovedajú im krížovky, hádanky, logické hry a šach. Stimulujú myslenie a nútia nás využívať tie schopnosti mozgu, po ktorých zvyčajne nie je dopyt.
Fyzické cvičenie
To, ako veľmi funguje ľudský mozog, či na plný výkon alebo nie, závisí aj od zaťaženia celého tela. Je dokázané, že telesný tréning obohacovaním krvi o kyslík má pozitívny vplyv na činnosť mozgu. Okrem toho sa zlepšuje potešenie, ktoré telo dostáva z pravidelného cvičenia všeobecný stav a nálada.
Existuje veľké číslo spôsoby, ako zvýšiť mozgovú aktivitu. Medzi nimi sú špeciálne navrhnuté a mimoriadne jednoduché, ku ktorým sa bez toho, aby sme o tom vedeli, uchyľujeme každý deň. Hlavná vec je dôslednosť a pravidelnosť. Ak urobíte každé cvičenie raz, nebude to mať žiadny výrazný účinok. Pocit nepohodlia, ktorý sa objaví na začiatku, nie je dôvodom na ukončenie, ale signálom, že toto cvičenie núti mozog pracovať.
História počítačovej vedy ako celku sa scvrkáva na skutočnosť, že vedci sa snažia pochopiť, ako funguje ľudský mozog a znovu vytvoriť niečo podobné vo svojich schopnostiach. Ako presne to vedci skúmajú? Predstavme si, že v 21. storočí prídu na Zem mimozemšťania, ktorí nikdy nevideli počítače, na ktoré sme zvyknutí, a pokúsime sa študovať štruktúru takéhoto počítača. S najväčšou pravdepodobnosťou začnú meraním napätí na vodičoch a zistia, že údaje sa prenášajú v binárnej forme: presná hodnota napätia nie je dôležitá, dôležitá je len jeho prítomnosť alebo neprítomnosť. Potom si možno uvedomia, že všetky elektronické obvody sú tvorené rovnakými „logickými hradlami“, ktoré majú vstup a výstup a signál v obvode sa vždy šíri rovnakým smerom. Ak sú mimozemšťania dostatočne chytrí, budú schopní prísť na to, ako fungujú kombinačné obvody – len oni stačia na zostavenie pomerne zložitých výpočtových zariadení. Možno mimozemšťania pochopia úlohu hodinového signálu a spätnej väzby; ale je nepravdepodobné, že budú schopní pri štúdiu moderného procesora rozpoznať v ňom von Neumannovu architektúru s zdieľaná pamäť, počítadlo programov, súbor registrov atď. Faktom je, že po štyridsiatich rokoch naháňania sa za výkonom sa v procesoroch objavila celá hierarchia „pamätí“ s dômyselnými synchronizačnými protokolmi; niekoľko paralelných potrubí vybavených prediktormi vetiev, takže pojem „počítadlo programov“ vlastne stráca svoj význam; Každá inštrukcia má priradený vlastný obsah registra atď. Na implementáciu mikroprocesora stačí niekoľko tisíc tranzistorov; na to, aby jeho produktivita dosiahla úroveň, na ktorú sme zvyknutí, sú potrebné stovky miliónov. Cieľom tohto príkladu je odpovedať na otázku „ako funguje počítač? nie je potrebné chápať fungovanie stoviek miliónov tranzistorov: iba zakrývajú jednoduchú myšlienku, ktorá je základom architektúry našich počítačov.
Modelovanie neurónov
Ľudská mozgová kôra pozostáva z približne sto miliárd neurónov. Historicky sa vedci zaoberajúci sa fungovaním mozgu snažili svojou teóriou pokryť celú túto kolosálnu štruktúru. Štruktúra mozgu je opísaná hierarchicky: kôra pozostáva z lalokov, laloky sú tvorené „hyperstĺpcami“, tie sú tvorené „ministĺpcami“... Ministĺpec pozostáva z asi sto jednotlivých neurónov.Analogicky so štruktúrou počítača, veľká väčšina týchto neurónov je potrebná pre rýchlosť a efektivitu, pre odolnosť voči poruchám atď.; ale základné princípy mozgu sú rovnako nemožné odhaliť mikroskopom, rovnako ako je nemožné zistiť počítadlo programu skúmaním mikroprocesora pod mikroskopom. Plodnejším prístupom je preto snažiť sa pochopiť mozog na najnižšej úrovni, na úrovni jednotlivých neurónov a ich stĺpcov; a potom na základe ich vlastností skúste uhádnuť, ako by mohol fungovať celý mozog. Niečo také, mimozemšťania, ktorí pochopili fungovanie logických brán, by z nich mohli časom postaviť jednoduchý procesor – a uistiť sa, že je svojimi schopnosťami ekvivalentný skutočným procesorom, hoci sú oveľa zložitejšie a výkonnejšie.
Na obrázku vyššie, telo neurón (vľavo) - malá červená škvrna na dne; všetko ostatné - dendrity, „vstupy“ neurónu a jeden axón, "VÝCHOD". Viacfarebné bodky pozdĺž dendritov sú synapsie, pomocou ktorého je neurón spojený s axónmi iných neurónov. Činnosť neurónov je opísaná veľmi jednoducho: keď na axóne dôjde k napäťovému „špicu“ nad prahovou úrovňou (typické trvanie špičky je 1 ms, úroveň 100 mV), synapsia „prerazí“ a napäťový ráz prejde do dendritu. . V tomto prípade je rázová vlna „vyhladená“: najprv napätie narastie na približne 1 mV počas 5...20 ms, potom exponenciálne klesá; tým sa trvanie zhluku predĺži na ~50 ms.
Ak sa aktivuje niekoľko synapsií jedného neurónu s krátkym časovým intervalom, potom sa „vyhladené vzplanutia“ excitované v neuróne každým z nich spočítajú. Nakoniec, ak je súčasne aktívnych dostatok synapsií, potom napätie na neuróne stúpne nad prahovú úroveň a jeho vlastný axón „prerazí“ synapsie neurónov, ktoré sú s ním spojené.
Čím silnejšie boli počiatočné výbuchy, tým rýchlejšie rastú vyhladené výbuchy a tým kratšie bude oneskorenie, kým sa aktivujú ďalšie neuróny.
Okrem toho existujú „inhibičné neuróny“, ktorých aktivácia znižuje celkové napätie na neurónoch, ktoré sú k nemu pripojené. Takéto inhibičné neuróny tvoria 15..25% z celkového počtu.
Každý neurón má tisíce synapsií; ale v danom čase nie je aktívna viac ako desatina všetkých synapsií. Reakčný čas neurónu - jednotky ms; rovnaké poradie oneskorenia pre šírenie signálu pozdĺž dendritu, t.j. tieto oneskorenia majú významný vplyv na činnosť neurónu. Nakoniec, pár susedných neurónov je spravidla spojený nie jednou synapsiou, ale asi tuctom - každý s vlastnou vzdialenosťou k telám oboch neurónov, a teda s vlastným trvaním oneskorenia. Na obrázku vpravo sú dva neuróny zobrazené červenou a modrou farbou prepojené šiestimi synapsiami.
Každá synapsia má svoj vlastný „odpor“, ktorý znižuje prichádzajúci signál (v príklade vyššie - zo 100 mV na 1 mV). Tento odpor sa dynamicky upravuje: ak je aktivovaná synapsia tesne pred aktivácia axónu - potom zrejme signál z tejto synapsie dobre koreluje so všeobecným výstupom, takže odpor sa zníži a signál bude viac prispievať k napätiu na neuróne. Ak je aktivovaná synapsia hneď po aktivácia axónu - potom zrejme signál z tejto synapsie nesúvisel s aktiváciou axónu, takže odpor synapsie sa zvyšuje. Ak sú dva neuróny spojené niekoľkými synapsiami s rôznym trvaním oneskorenia, potom vám táto úprava odporu umožňuje zvoliť optimálne oneskorenie alebo optimálnu kombináciu oneskorení: signál začne prichádzať presne vtedy, keď je to najužitočnejšie.
Model neurónu, ktorý si osvojili výskumníci neurónových sietí – s jediným spojením medzi párom neurónov a s okamžitým šírením signálu z jedného neurónu do druhého – je teda veľmi vzdialený biologickému obrazu. Okrem toho nefungujú tradičné neurónové siete čas jednotlivé výbuchy a ich frekvencia: Čím častejšie stúpnu vstupy neurónov, tým častejšie bude rásť aj výstup. Tie detaily štruktúry neurónov, ktoré sú v tradičnom modeli vyradené – sú podstatné alebo nedôležité pre popis práce mozgu? Neurovedci nazhromaždili obrovské množstvo pozorovaní o štruktúre a správaní neurónov – ale ktoré z týchto pozorovaní osvetľujú celkový obraz a ktoré sú len „implementačnými detailmi“ a – podobne ako prediktor vetvy v procesore – neovplyvňujú niečo iné ako prevádzková efektivita? James sa domnieva, že sú to práve časové charakteristiky interakcie medzi neurónmi, ktoré nám umožňujú priblížiť sa k pochopeniu problematiky; že asynchrónnosť je pre fungovanie mozgu rovnako dôležitá ako synchrónia pre fungovanie počítača.
Ďalším „implementačným detailom“ je nespoľahlivosť neurónu: s určitou pravdepodobnosťou sa môže aktivovať spontánne, aj keď súčet napätí na jeho dendritoch nedosiahne prahovú úroveň. Vďaka tomu môže „tréning“ stĺpca neurónov začať s akýmkoľvek dostatočne veľkým odporom na všetkých synapsiách: spočiatku žiadna kombinácia aktivácií synapsií nevedie k aktivácii axónov; potom spontánne vzplanutia povedú k zníženiu odporu synapsií, ktoré boli aktivované krátko pred týmito spontánnymi vzplanutiami. Týmto spôsobom neurón začne rozpoznávať špecifické „vzorce“ vstupných impulzov. Najdôležitejšie sú vzory podobný tie, na ktorých bol neurón trénovaný, budú tiež rozpoznané, ale hrot na axóne bude slabší a/alebo neskorší, čím menej je neurón „istý“ výsledkom. Trénovanie stĺpca neurónov je oveľa efektívnejšie ako trénovanie konvenčnej neurónovej siete: stĺpec neurónov nepotrebuje kontrolnú odozvu pre vzorky, na ktorých je trénovaný – v skutočnosti to tak nie je. uznáva, A klasifikuje vstupné vzory. Okrem toho tréning stĺpca neurónov lokalizované- zmena odporu synapsie závisí od správania iba dvoch neurónov ňou spojených a žiadnych iných. V dôsledku toho tréning vedie k zmene odporu pozdĺž signálovej cesty, zatiaľ čo pri tréningu neurónovej siete sa váhy menia v opačnom smere: od neurónov najbližšie k výstupu na neuróny najbližšie k vstupu.
Napríklad tu je stĺpec neurónov natrénovaných na rozpoznanie vzoru výbuchu (8,6,1,6,3,2,5) - hodnoty označujú čas výbuchu na každom zo vstupov. V dôsledku tréningu sú oneskorenia nastavené tak, aby presne zodpovedali rozpoznanému vzoru, takže napätie na axóne spôsobené správnym vzorom je maximálne možné (7):
Rovnaký stĺpec bude reagovať na podobný vstupný vzor (8,5,2,6,3,3,4) s menším hrotom (6) a napätie dosiahne prahovú úroveň zreteľne neskôr:
Nakoniec, inhibičné neuróny môžu byť použité na poskytovanie spätnej väzby: napríklad, ako na obrázku vpravo, potlačenie opakovaných špičiek na výstupe, keď vstup dlho zostáva aktívny; alebo potlačiť špičku na výstupe, ak je príliš oneskorená v porovnaní so vstupnými signálmi - aby bol klasifikátor „kategorickejší“; alebo v neurónovom obvode rozpoznávania vzorov môžu byť rôzne stĺpce klasifikátora spojené inhibičnými neurónmi tak, že aktivácia jedného klasifikátora automaticky potlačí všetky ostatné klasifikátory.
Rozpoznávanie obrázkov
Aby rozpoznal ručne písané čísla z databázy MNIST (28 x 28 pixelov v odtieňoch šedej), James zostavil analóg päťvrstvovej „konvolučnej neurónovej siete“ zo stĺpcov klasifikátora opísaných vyššie. Každý zo 64 stĺpcov v prvej vrstve spracováva fragment 5x5 pixelov z pôvodného obrázka; takéto fragmenty sa prekrývajú. Stĺpce druhej vrstvy spracovávajú každý štyri výstupy z prvej vrstvy, čo zodpovedá fragmentu 8x8 pixelov z pôvodného obrázka. Tretia vrstva má iba štyri stĺpce - každý zodpovedá fragmentu 16x16 pixelov. Štvrtá vrstva - konečný klasifikátor - rozdeľuje všetky obrázky do 16 tried: trieda je priradená podľa toho, ktorý z neurónov je aktivovaný ako prvý. Nakoniec, piata vrstva je klasický perceptrón, ktorý koreluje 16 tried s 10 riadiacimi odozvami.
Klasické neurónové siete založené na MNIST dosahujú presnosť 99,5 % a ešte vyššiu; Ale podľa Jamesa sa jeho „hyperstĺpec“ trénuje v oveľa menšom počte iterácií, pretože zmeny sa šíria pozdĺž signálovej cesty, a preto ovplyvňujú menej neurónov. Pokiaľ ide o klasickú neurónovú sieť, vývojár „hyperstĺpca“ určuje iba konfiguráciu spojení medzi neurónmi a všetky kvantitatívne charakteristiky hyperstĺpca - t.j. odpor synapsií s rôznym oneskorením – získaný automaticky počas procesu učenia. Okrem toho prevádzka hyperstĺpca vyžaduje rádovo menej neurónov ako neurónová sieť s podobnými schopnosťami. Na druhej strane, simulácia takýchto „analógových neuroobvodov“ je zapnutá elektronický počítač trochu komplikované skutočnosťou, že na rozdiel od digitálnych obvodov, ktoré pracujú s diskrétnymi signálmi a diskrétnymi časovými intervalmi, je pre činnosť neuroobvodov dôležitá kontinuita zmien napätia a asynchrónnosť neurónov. James tvrdí, že krok simulácie 0,1 ms je dostatočný na to, aby jeho rozpoznávač fungoval správne; nešpecifikoval však, koľko „reálneho času“ zaberie nácvik a prevádzka klasickej neurónovej siete a koľko zaberie výcvik a prevádzka jeho simulátora. On sám je už dlhší čas na dôchodku, a voľný čas venuje sa zlepšovaniu svojich analógových neurónových obvodov.
Dôvodom napísania tohto článku bolo zverejnenie materiálu americkými neurológmi na tému merania pamäťovej kapacity ľudského mozgu, prezentovaného na GeekTimes deň predtým.
V pripravovanom materiáli sa pokúsim vysvetliť mechanizmy, znaky, funkčnosť, štrukturálne interakcie a znaky vo fungovaní pamäte. Tiež, prečo nie je možné kresliť analógie s počítačmi v práci mozgu a vykonávať výpočty v jednotkách strojového jazyka. V článku sú použité materiály prevzaté z prác ľudí, ktorí svoj život zasvätili tvrdej práci pri štúdiu cytoarchitektoniky a morfogenetiky, potvrdené v praxi a majúce výsledky v r. medicína založená na dôkazoch. Používajú sa najmä údaje S. V. Savelyeva. vedec, evolucionista, paleoneurológ, doktor biologických vied, profesor, vedúci laboratória vývoja nervového systému na Ústave ľudskej morfológie Ruskej akadémie vied.
Predtým, ako pristúpime k zváženiu problému a problému ako celku, sformulujeme základné myšlienky o mozgu a urobíme množstvo vysvetlení, ktoré nám umožnia plne oceniť prezentovaný uhol pohľadu.
Prvá vec, ktorú by ste mali vedieť: ľudský mozog je najvariabilnejší orgán, líši sa medzi mužmi a ženami, rasami a etnickými skupinami, variabilita je kvantitatívna (mozgová hmota) aj kvalitatívna (organizácia sulcií a konvolúcií) v prírode. rozdiel má rôzne variácie sa ukazuje byť viac ako dvojnásobný.
Po druhé: mozog je orgán s najväčšou spotrebou energie Ľudské telo. Pri hmotnosti 1/50 telesnej hmotnosti spotrebuje 9% energie celého tela pokojný stav, keď napríklad ležíte na gauči a 25% energie celého tela, keď začnete aktívne myslieť, sú obrovské výdavky.
Po tretie: kvôli vysokej spotrebe energie je mozog prefíkaný a selektívny, každý energeticky závislý proces je pre telo nevýhodný, to znamená, že bez extrémnej biologickej nevyhnutnosti sa takýto proces nepodporí a mozog sa snaží šetriť zdroje tela napr. akékoľvek prostriedky.
Tu sú možno tri hlavné body zďaleka úplný zoznam vlastnosti mozgu, ktoré budú potrebné pri analýze mechanizmov a procesov ľudskej pamäte.
čo je pamäť? Pamäť je funkciou nervových buniek. Pamäť nemá samostatnú pasívnu energiu nie nákladná lokalizácia, ktorá je obľúbenou témou fyziológov a psychológov, zástancov myšlienky nehmotných foriem pamäti, ktorú vyvracajú smutné skúsenosti klinická smrť, kedy mozog prestane dostávať potrebné prekrvenie a približne 6 minút po klinickej smrti nastupujú nezvratné procesy a spomienky nenávratne miznú. Keby pamäť mala energiu nie závislého zdroja, mohla by byť obnovená, ale to sa nestane, čo znamená, že pamäť je dynamická a jej údržba neustále stojí energiu.
Je dôležité vedieť, že neuróny, ktoré určujú ľudskú pamäť, sa nachádzajú predovšetkým v neokortoxe. Neokortex obsahuje asi 11 miliárd. neuróny a mnohonásobne viac glií. (Glia sú typ bunky v nervovom systéme. Glia sú prostredím pre neuróny; gliové bunky slúžia ako podporný a ochranný aparát pre neuróny. Metabolizmus gliových buniek úzko súvisí s metabolizmom neurónov, ktoré obklopujú.
Neokortex:
Glia, neurónové spojenia:
Je dobre známe, že informácie sú uložené v pamäti iný čas, existujú také pojmy ako dlhodobá a krátkodobá pamäť. Na udalosti a javy sa rýchlo zabúda, ak sa neaktualizujú a neopakujú, čo je ďalším potvrdením dynamiky pamäti. Informácie sa určitým spôsobom uchovávajú, ale pri absencii dopytu zanikajú.
Ako už bolo spomenuté, pamäť je energeticky závislý proces. Žiadna energia – žiadna pamäť. Dôsledkom energetickej závislosti pamäte je nestabilita jej obsahu. Spomienky na minulé udalosti sú v čase falšované až do úplnej nedostatočnosti. Pamäť nepočíta čas, ale nahrádza ho rýchlosť zabúdania. Spomienka na akúkoľvek udalosť sa znižuje nepriamo úmerne s časom. Za hodinu sa zabudne ½ všetkého, čo je v pamäti, za deň - 2/3, za mesiac - 4/5.
Uvažujme o princípoch pamäti, založených na biologickej účelnosti výsledkov jej práce. Fyzické komponenty spomienky pozostávajú z nervových dráh spájajúcich jednu alebo viac buniek. Zahŕňajú zóny postupného a aktívneho vedenia signálu, rôzne systémy synapsie a telá buniek neurónov. Predstavme si udalosť alebo jav. Muž bol postavený pred novú, no dosť dôležitú situáciu. Cez určité zmyslové spojenia a zmyslové orgány dostával človek rôzne informácie, rozbor udalosti skončil rozhodnutím. Zároveň je človek spokojný s výsledkom. V nervovom systéme je zvyšková excitácia - pohyb signálov cez siete, ktoré boli použité na vyriešenie problému. Ide o takzvané „staré reťazce“, ktoré existovali pred situáciou s potrebou zapamätať si informácie. Udržiavanie obehu rôznych informačných signálov v rámci jedného štrukturálneho reťazca je mimoriadne energeticky náročné. Pretože mať na pamäti nové informácie zvyčajne ťažké. Pri opakovaniach alebo podobných situáciách sa môžu vytvárať nové synaptické spojenia medzi bunkami a potom si prijaté informácie budú dlho pamätať. Zapamätanie je teda zachovanie zvyškovej aktivity neurónov v oblasti mozgu.
Pamäť mozgu je vynútená kompenzačná reakcia nervového systému. Všetky informácie idú do dočasného úložiska. Udržiavanie stability krátkodobej pamäte a vnímanie signálov zvonku je mimoriadne energeticky nákladné, do tých istých buniek prichádzajú nové vzrušujúce signály a hromadia sa chyby prenosu a energetické zdroje sú nadmerne vynaložené. Situácia však nie je taká zlá, ako vyzerá. Nervový systém má dlhodobú pamäť. Často pretvára realitu tak, že mení pôvodné predmety na nepoznanie. Stupeň modifikácie objektu uloženého v pamäti závisí od času uloženia. Pamäť uchováva spomienky, ale mení ich tak, ako to chce majiteľ. V jadre dlhodobá pamäť lež jednoduché a náhodné procesy. Faktom je, že neuróny vytvárajú a ničia svoje spojenia počas celého života. Synapsie sa neustále vytvárajú a ničia. Pomerne hrubé údaje naznačujú, že tento proces spontánnej tvorby jednej neurónovej synapsie môže nastať u cicavcov približne 3-4 krát za 2-5 dní. Rozvetvenie kolaterál obsahujúcich stovky rôznych synapsií sa vyskytuje o niečo menej často. Nový polysynaptický kolaterál sa vytvorí za 40-45 dní. Keďže tieto procesy prebiehajú v každom neuróne, je celkom možné odhadnúť kapacitu dennej dlhodobej pamäte pre ktorékoľvek zo zvierat. Dá sa očakávať, že v mozgovej kôre človeka sa každý deň vytvorí asi 800 miliónov nových spojení medzi bunkami a približne rovnaký počet sa zničí. Dlhodobá pamäť je zaradenie do novovytvorenej siete oblastí s úplne nevyužitými, novovytvorenými kontaktmi medzi bunkami. Čím viac nových synaptických kontaktov je zapojených do siete primárnej (krátkodobej) pamäte, tým je pravdepodobnejšie, že táto sieť prežije dlhší čas.
Zapamätanie a zabudnutie informácií. Krátkodobá pamäť vytvorené na základe existujúcich spojení. Jeho vzhľad je označený oranžovými šípkami vo fragmente b. Signály obsahujúce staré (fialové šípky) aj nové (oranžové šípky) informácie obiehajú po rovnakých cestách. To vedie k mimoriadne nákladnému a krátkodobému ukladaniu nových informácií na základe starých spojení. Ak to nie je dôležité, potom sa znížia náklady na energiu na jeho údržbu a dochádza k zabúdaniu. Pri ukladaní „krátkodobých“, ale teraz nevyhnutných informácií, sa medzi bunkami pozdĺž fragmentov a-b-c vytvárajú nové fyzické spojenia. To vedie k dlhodobej pamäti založenej na používaní novovytvorených spojení (žlté šípky). Ak informácie ostanú dlho nevyžiadané, nahradia sa inými informáciami. V tomto prípade môže dôjsť k prerušeniu spojenia a zabudnutiu. fragmenty b-b-a alebo in-a (modré šípky).“
Z uvedeného je zrejmé, že mozog je dynamická štruktúra, neustále sa prestavuje a má určité fyziologické limity a mozog je tiež nadmerne energeticky náročný orgán. Mozog nie je fyziologický, ale morfogenetický, preto sú jeho aktivity nesprávne a nesprávne merateľné v systémoch používaných a aplikovaných informačné technológie. Vzhľadom na individuálnu variabilitu mozgu nie je možné robiť žiadne závery, ktoré by zovšeobecňovali rôzne funkčné ukazovateleľudský mozog. Matematické metódy Rovnako nie sú použiteľné pri výpočte štrukturálnej interakcie v práci ľudského mozgu, a to z dôvodu neustálej zmeny, interakcie a reštrukturalizácie nervových buniek a spojení medzi nimi, čo následne privádza do bodu absurdnosti práce amerických vedcov v r. štúdium pamäťovej kapacity ľudského mozgu.
