Hjärnan är mest komplex organiserad orgel person. Han är trots allt ansvarig för alla organs arbete, liksom många komplexa processer, såsom minne, tänkande, känslor, tal. Dessutom är den mänskliga hjärnan också ansvarig för medvetandet. Låt oss ta reda på hur hjärnan fungerar.
Hjärnan är det centrala organet i nervsystemet. Den är belägen i skallen, vilket skyddar den från skador och exponering för temperatur. Hos en vuxen väger hjärnan i genomsnitt 1,4 kg, och utseendemässigt ser den ut som en stor valnöt. Hjärnan består av grå och vit substans, som består av nervceller Och nervfibrer. Neuroner skickar och tar emot elektriska signaler till alla organ i kroppen genom ett nätverk av nervändar. Hjärnan och ryggmärgen, samt nervändar i hela kroppen utgör det mänskliga nervsystemet.
Anatomiskt består hjärnan av tre huvuddelar - hjärnstammen, hemisfärerna och lillhjärnan. Dessutom finns körtlar i hjärnan inre sekretion, såsom thalamus och hypotalamus. Låt oss titta på funktionerna och strukturen för varje del för att bättre förstå hur den mänskliga hjärnan fungerar.
Hjärnhalvorna
Hjärnhalvorna är dess största del. De utgör cirka 90 % av den totala volymen. Hemisfärerna delar hjärnan i två ungefär lika stora delar, förbundna med en tät bro - Corpus callosum. Halvklotens struktur består av grå och vit substans. Grå substans utgör ytan av hjärnan och består av komplexa nervceller som genererar elektriska impulser. A vit substans, som ligger inuti hemisfärerna, består av nervfibrer. De överför signaler i hela kroppen.
Den komplexa strukturen hos hjärnhalvorna gör att de kan ansvara för många funktioner i människokroppen, varav de flesta hänför sig till högre mental aktivitet t ex minne, tänkande osv. Fysiologiskt representerar detta en tydlig uppdelning i zoner som inte märks utifrån. Varje zon ansvarar för vissa mänskliga funktioner. Du kan lära dig mer om vad hemisfärerna ansvarar för i en av våra artiklar - "".
Lilla hjärnan
Lillhjärnan ligger på baksidan av hjärnan, strax under bakhuvudet. Lillhjärnan tar emot motoriska signaler från hemisfärerna, varefter den sorterar dem, konkretiserar dem och skickar signaler till specifika muskler eller senor. Lillhjärnan är ansvarig för rörelser av både individuella muskler och den övergripande jämnheten och koordinationen av mänskliga rörelser.
Hjärnbalk
Hjärnstammen är vid basen och förbinder hjärnan med ryggmärgen. Hjärnstammen ansvarar för vitala automatiska processer som hjärtslag, matsmältning, kroppstemperatur, andning, etc.
Hypothalamus och thalamus
Hypotalamus är en endokrin körtel som är ansvarig för många komplexa funktioner och mänskliga manifestationer. Till exempel styr den hunger, sömn, törst och kraftfulla känslor– ilska, glädje, rädsla. Hypotalamus är belägen på toppen av hjärnstammen.
Talamus är i sin tur koordinator för alla mänskliga körtlar. Talamus är inte större än en ärta och reglerar frisättningen av alla hormoner i kroppen.
Hur hjärnan fungerar: en inre process
Vid första anblicken verkar hjärnans arbete extremt enkelt. Nervimpulser, ange en halvklot, där de läses och bearbetas. Sedan skickas de till önskad del av kroppen. Förresten, signalerna som kommer från höger sida kroppar skickas till vänster hjärnhalva.
Generellt kan vi säga att hjärnan är det organ som styr alla processer i kroppen. Med hjälp av ett neuralt nätverk styr han kroppen, som en ledare, och indikerar vad och vilket organ som behöver göra.
Det mänskliga neurala nätverket består av nervceller - neuroner. I sin struktur har de flera ingångar - dendriter och en utgång - ett axon. Vi kan säga att en neuron tar emot många signaler, summerar dem och producerar en gemensam utsignal, som sänds vidare. Mänskliga neuroner har förmågan att "lära sig" - under livets gång kan de ändra sin tröskelmängd för signaler. När neuroner ökar summan av signaler lär sig en person, och när summan av signaler minskar glömmer eller förlorar en person en färdighet.
Nu vet du hur hjärnan fungerar. Hjärnan tros vara många gånger kraftfullare än någon dator som någonsin skapats. I den mänskliga hjärnan finns cirka 100 miljarder nervceller som hela tiden dör och dyker upp, och som också tenderar att utvecklas.
För att hjärnan hela tiden ska utvecklas behöver den fungera. Praktiskt råd för detta kan du hitta i en av våra artiklar - "
Varje begrepp avslöjas genom ett antal principer (från latinets principium - stiftelse), inklusive begreppet förhållandet mellan hjärnan och psyket. I verk av A.R. Luria, E.D. Chomsky, O.S. Adrianova, L.S. Tsvetkova, N.P. Bekhtereva och andra sammanfattar de grundläggande principerna för hjärnans struktur och funktion. Tack vare dessa forskare är det möjligt att i hjärnorganisationen identifiera hur generella principer struktur och funktion, karakteristisk för alla makrosystem, och dynamiskt föränderlig individuella egenskaper dessa system.
A.R. Luria höjdpunkter följande principer evolution och struktur av hjärnan som ett organ i psyket:
- - principen om evolutionär utveckling, som består i det faktum att organismens förhållande till miljön och dess beteende i olika skeden av evolutionen reglerades av olika apparater i nervsystemet och därför är den mänskliga hjärnan en produkt av lång tid evolutionär utveckling;
- - principen om bevarande av antika strukturer, som förutsätter att de tidigare hjärnapparaterna bevaras och ger vika ledande plats nybildningar och förvärv ny roll. De blir alltmer apparater som ger bakgrunden till beteendet;
- - principen om den vertikala strukturen av hjärnans funktionella system, vilket innebär att varje form av beteende säkerställs genom gemensamt arbete olika nivåer nervapparat, sammankopplad av både stigande och nedåtgående anslutningar, förvandlar hjärnan till ett självreglerande system;
- - Principen för hierarkisk interaktion olika system hjärnan, enligt vilken excitation som uppstår i de perifera sensoriska organen först kommer till de primära (projektions) zonerna, sedan sprider sig till de sekundära zonerna i cortex, som spelar en integrerande roll, och kombinerar somatotopiska projektioner av excitationer som uppstår i periferin till komplexa funktionella system. Denna princip säkerställer i huvudsak hjärnans integrerande aktivitet;
- - principen om somatotop organisation av de primära zonerna i hjärnbarken, enligt vilken varje del av kroppen motsvarar strikt definierade punkter i cortex cerebrala hemisfärer(prick till prick).
- - principen för den funktionella organisationen av cortex, som återspeglar förhållandet mellan en funktions roll och dess projektion i hjärnbarken: vad högre värde har en eller annan funktionellt system, desto större yta upptas av dess projektion i de primära delarna av hjärnbarken. En illustration av denna princip är de berömda Penfield-scheman; hjärnans psyke neuroanatomiska
- - principen om progressiv kortikolisering, vars essens är att ju högre ett djur befinner sig på den evolutionära stegen, desto mer regleras dess beteende av cortex och desto mer ökar den differentierade karaktären hos dessa regler.
Dessutom har A.R. Luria påpekade att bildandet av mänsklig mental aktivitet går från enkla till mer komplexa, indirekta former.
O.S. Adrianov, som kompletterar och utvecklar vetenskapen om hjärnan, formulerade två principer:
- - principen om multi-level interaktion av vertikalt organiserade excitationsvägar, vilket ger möjligheter för olika typer behandling av afferenta signaler;
- - principen om hierarkisk underordning av olika hjärnsystem, på grund av vilken antalet frihetsgrader för varje system reduceras och det blir möjligt att kontrollera en nivå i hierarkin av en annan.
E.D. Chomsky, baserat på moderna idéer om de grundläggande principerna för organisationen av hjärnan som ett substrat för psyket, underbygger två grundläggande principer för teorin om lokalisering av högre mentala funktioner:
- - principen om systemisk lokalisering av funktioner (varje mental funktion förlitar sig på komplexa sammankopplade strukturella och funktionella system i hjärnan);
- - principen om dynamisk lokalisering av funktioner (varje mental funktion har en dynamisk, föränderlig hjärnorganisation, olika i olika människor och i olika åldrar deras liv).
Huvudprinciperna för den strukturella och funktionella organisationen av hjärnan som beskrivs ovan är formulerade på basis av en analys av neuroanatomiska data.
Det största mysteriet för forskare är inte rymdens vidd eller bildningen av jorden, utan den mänskliga hjärnan. Dess kapacitet överstiger alla moderna datorer. Tänkande, förutsägelse och planering, känslor och känslor, och slutligen, medvetande - alla dessa processer som är inneboende i människor, på ett eller annat sätt, äger rum inom ett litet utrymme i kraniet. Jobb mänsklig hjärna och dess studier hänger mycket starkare samman än något annat föremål och forskningsmetoder. I I detta fall de är nästan identiska. Den mänskliga hjärnan studeras med hjälp av den mänskliga hjärnan. Förmågan att förstå de processer som sker i huvudet beror faktiskt på förmågan hos den "tänkande maskinen" att känna sig själv.
Strukturera
Idag vet man ganska mycket om hjärnans struktur. Den består av två halvklot som liknar halvor valnöt, täckt med ett tunt grått skal. Detta är hjärnbarken. Var och en av halvorna är konventionellt uppdelad i flera andelar. De äldsta delarna av hjärnan i evolutionära termer, det limbiska systemet och hjärnstammen, ligger under corpus callosum, som förbinder de två hemisfärerna.
Den mänskliga hjärnan består av flera typer av celler. Mest av av dessa är gliaceller. De utför funktionen att ansluta andra element till en enda helhet och deltar också i att förstärka och synkronisera elektrisk aktivitet. Ungefär en tiondel av hjärncellerna är neuroner olika former. De överför och tar emot elektriska impulser med hjälp av processer: långa axoner, som överför information från neuronkroppen vidare, och korta dendriter, som tar emot signaler från andra celler. Kontaktande axoner och dendriter bildar synapser, platser där information överförs. Den långa processen frigör en signalsubstans i synapshålan, Kemisk substans, som påverkar cellens funktion, når den dendriten och leder till hämning eller excitation av neuronen. Signalen sänds genom alla anslutna celler. Som ett resultat blir arbetet hos ett stort antal neuroner mycket snabbt upphetsat eller hämmat.
Vissa utvecklingsfunktioner
Den mänskliga hjärnan, som alla andra organ i kroppen, går igenom vissa stadier av sin bildning. Ett barn föds, så att säga, inte i full stridsberedskap: processen för hjärnans utveckling slutar inte där. Dess mest aktiva avdelningar under denna period är belägna i de gamla strukturerna som ansvarar för reflexer och instinkter. Cortex fungerar sämre eftersom den består av ett stort antal omogna neuroner. Med åldern förlorar den mänskliga hjärnan några av dessa celler, men får många starka och ordnade kopplingar mellan de återstående. "Extra" neuroner som inte har hittat en plats i de resulterande strukturerna dör. Hur mycket den mänskliga hjärnan fungerar verkar bero på kvaliteten på anslutningarna snarare än antalet celler.
Vanlig myt
Att förstå funktionerna i hjärnans utveckling hjälper till att bestämma diskrepansen mellan verkligheten hos några vanliga idéer om detta organs arbete. Det finns en åsikt att den mänskliga hjärnan arbetar 90-95 procent mindre än vad den kan, det vill säga ungefär en tiondel av den används, och resten sover mystiskt. Om du läser ovanstående igen blir det tydligt att neuroner som inte används inte kan existera länge - de dör. Troligtvis är ett sådant fel resultatet av idéer som fanns för en tid sedan att endast de neuroner som överför en impuls fungerar. Men per tidsenhet är endast ett fåtal celler i ett sådant tillstånd, förknippade med de åtgärder som är nödvändiga för en person nu: rörelse, tal, tänkande. Efter några minuter eller timmar ersätts de av andra som tidigare varit "tysta".
Under en viss tidsperiod deltar alltså hela hjärnan i kroppens arbete, först med några av dess delar, sedan med andra. Samtidig aktivering av alla neuroner, vilket innebär 100 % hjärnfunktion så önskad av många, kan leda till ett slags kortslutning: en person kommer att hallucinera, uppleva smärta och allt möjliga förnimmelser, rysa med hela kroppen.
Anslutningar
Det visar sig att vi inte kan säga att någon del av hjärnan inte fungerar. Men den mänskliga hjärnans förmågor används verkligen inte fullt ut. Poängen är dock inte i "sovande" neuroner, utan i kvantiteten och kvaliteten på anslutningar mellan celler. Varje upprepad åtgärd, känsla eller tanke fixeras på neuronnivå. Ju fler upprepningar, desto starkare samband. Följaktligen innebär att använda hjärnan mer fullständigt att bygga nya förbindelser. Det är detta utbildningen bygger på. Barnets hjärna har ännu inte stabila kopplingar de bildas och stärks i processen för barnets bekantskap med världen. Med åldern blir det svårare och svårare att göra ändringar i den befintliga strukturen, så barn lär sig lättare. Men om du vill kan du utveckla den mänskliga hjärnans förmågor i alla åldrar.
Otroligt men sant
Förmågan att skapa nya kontakter och lära sig om ger fantastiska resultat. Det finns fall då hon övervann alla gränser för det möjliga. Den mänskliga hjärnan är en olinjär struktur. Med all säkerhet är det omöjligt att identifiera zoner som utför en specifik funktion och inte mer. Dessutom kan delar av hjärnan vid behov ta över "ansvaret" för de skadade områdena.
Detta är vad som hände med Howard Rocket, som var dömd till livet till följd av en stroke. rullstol. Han ville inte ge upp och försökte med hjälp av en rad övningar utveckla sin förlamade arm och ben. Som ett resultat av dagligt hårt arbete kunde han efter 12 år inte bara gå normalt utan också dansa. Hans hjärna gjorde om sig själv mycket långsamt och gradvis så att de opåverkade delarna av den kunde utföra de funktioner som är nödvändiga för normal rörelse.
Paranormala förmågor
Hjärnans plasticitet är inte den enda egenskapen som förvånar forskarna. Neuroforskare ignorerar inte sådana fenomen som telepati eller klärvoajans. Experiment utförs i laboratorier för att bevisa eller motbevisa möjligheten till sådana förmågor. Forskning av amerikanska och engelska forskare ger intressanta resultat som tyder på att deras existens inte är en myt. Men neuroforskare har ännu inte fattat ett slutgiltigt beslut: för officiell vetenskap finns det fortfarande vissa gränser för vad som är möjligt, och den mänskliga hjärnan, som man tror, kan inte passera dem.
Jobba på dig själv
I barndomen, när nervceller som inte har hittat en "plats" dör, försvinner förmågan att komma ihåg allt på en gång. Det så kallade eidetiska minnet förekommer ganska ofta hos barn, men hos vuxna är det extremt sällsynt fenomen. Men den mänskliga hjärnan är ett organ och, precis som alla andra delar av kroppen, kan den tränas. Detta innebär att du kan förbättra ditt minne, förbättra din intelligens och utveckla kreativt tänkande. Det är bara viktigt att komma ihåg att utvecklingen av den mänskliga hjärnan inte är en fråga om en dag. Träningen bör vara regelbunden, oavsett dina mål.
Ovanlig
Nya kopplingar bildas i det ögonblick då en person gör något annorlunda än vanligt. Det enklaste exemplet: Det finns flera sätt att ta sig till jobbet, men av vana väljer vi alltid samma. Uppgiften är att välja en ny väg varje dag. Denna elementära handling kommer att bära frukt: hjärnan kommer att tvingas inte bara att bestämma vägen, utan också att registrera nya visuella signaler som kommer från tidigare okända gator och hus.
Sådan träning inkluderar också att använda vänster hand där höger hand är van (och vice versa, för vänsterhänta). Att skriva, skriva, hålla musen är så obekvämt, men som experiment visar, efter en månad av sådan träning kommer det att öka avsevärt kreativt tänkande och fantasi.
Läsning
Vi har fått höra om fördelarna med böcker sedan barnsben. Och det här är inte tomma ord: läsning ökar hjärnaktiviteten, i motsats till att titta på TV. Böcker hjälper till att utveckla fantasin. Korsord, pussel, logikspel och schack matchar dem. De stimulerar tänkande och tvingar oss att använda de hjärnförmågor som vanligtvis inte efterfrågas.
Motion
Hur mycket den mänskliga hjärnan arbetar, med full kapacitet eller inte, beror också på belastningen på hela kroppen. Det är bevisat att fysisk träning genom att berika blodet med syre har en positiv effekt på hjärnans aktivitet. Dessutom förbättras nöjet kroppen får av regelbunden träning allmänt tillstånd och humör.
Existerar stort antal sätt att öka hjärnaktiviteten. Bland dem finns både specialdesignade och extremt enkla, som vi, utan att veta om det, tar till varje dag. Det viktigaste är konsistens och regelbundenhet. Om du gör varje övning en gång blir det ingen signifikant effekt. Känslan av obehag som uppstår till en början är inte en anledning att sluta, utan en signal om att den här träningen får hjärnan att fungera.
Datavetenskapens historia som helhet kokar ner till det faktum att forskare försöker förstå hur den mänskliga hjärnan fungerar och återskapa något liknande i dess förmåga. Hur exakt studerar forskarna det? Låt oss föreställa oss att utomjordingar på 2000-talet anländer till jorden, som aldrig har sett de datorer vi är vana vid, och försöker studera strukturen hos en sådan dator. Troligtvis kommer de att börja med att mäta spänningarna på ledarna och kommer att upptäcka att data överförs i binär form: det exakta värdet på spänningen är inte viktigt, bara dess närvaro eller frånvaro är viktig. Då kanske de kommer att inse att alla elektroniska kretsar är uppbyggda av samma "logiska grindar" som har en ingång och en utgång, och signalen i kretsen går alltid i samma riktning. Om utomjordingarna är tillräckligt smarta kommer de att kunna ta reda på hur kombinationskretsar fungerar - de ensamma är tillräckligt för att bygga relativt komplexa datorenheter. Kanske kommer utomjordingar att ta reda på rollen av klocksignal och feedback; men det är osannolikt att de, när de studerar en modern processor, i den kommer att kunna känna igen en von Neumann-arkitektur med delat minne, en programräknare, en uppsättning register osv. Faktum är att efter fyrtio år av att jaga prestanda dök en hel hierarki av "minnen" med smarta synkroniseringsprotokoll mellan dem upp i processorer; flera parallella pipelines utrustade med förgreningsprediktorer, så att begreppet "programräknare" faktiskt förlorar sin mening; Varje instruktion har sitt eget registerinnehåll kopplat till sig osv. För att implementera en mikroprocessor räcker flera tusen transistorer; för att dess produktivitet ska nå den nivå vi är vana vid krävs hundratals miljoner. Poängen med detta exempel är att för att svara på frågan "hur fungerar en dator?" det finns inget behov av att förstå hur hundratals miljoner transistorer fungerar: de döljer bara den enkla idén bakom våra datorers arkitektur.
Neuronmodellering
Den mänskliga hjärnbarken består av cirka hundra miljarder neuroner. Historiskt sett har forskare som studerar hjärnans funktion försökt täcka hela denna kolossala struktur med sin teori. Hjärnans struktur beskrivs hierarkiskt: cortex består av lober, loberna är uppbyggda av "hyperkolonner", de är uppbyggda av "minikolumner"... En minikolumn består av ett hundratal individuella neuroner.I analogi med en dators struktur behövs de allra flesta av dessa neuroner för snabbhet och effektivitet, för motståndskraft mot misslyckanden, etc.; men hjärnans grundprinciper är lika omöjliga att upptäcka med mikroskop, precis som det är omöjligt att upptäcka programräknaren genom att undersöka en mikroprocessor i mikroskop. Därför är ett mer fruktbart tillvägagångssätt att försöka förstå hjärnan på den lägsta nivån, på nivån för enskilda neuroner och deras kolumner; och sedan, baserat på deras egenskaper, försöka gissa hur hela hjärnan skulle kunna fungera. Något liknande detta, utomjordingar, som har förstått driften av logiska grindar, kunde så småningom bygga en enkel processor av dem - och se till att den är likvärdig i sina kapaciteter med riktiga processorer, även om de är mycket mer komplexa och kraftfulla.
På bilden ovanför, kropp neurona (vänster) - en liten röd fläck längst ner; resten - dendriter, neurons "ingångar" och en axon, "utgång". Flerfärgade prickar längs dendriterna är synapser, genom vilken neuronen är kopplad till axonerna hos andra neuroner. Funktionen av neuroner beskrivs mycket enkelt: när en spänningsspik över en tröskelnivå inträffar på ett axon (typisk spikvaraktighet är 1 ms, nivå 100 mV), "bryter synapsen igenom" och spänningsuppgången passerar till dendriten . I det här fallet "utjämnas" överspänningen: först växer spänningen till cirka 1 mV över 5..20 ms, för att sedan avta exponentiellt; sålunda förlängs varaktigheten av skuren till ~50ms.
Om flera synapser av en neuron aktiveras med ett kort tidsintervall, läggs de "utjämnade skurarna" som exciteras i neuronen av var och en av dem samman. Slutligen, om tillräckligt många synapser är aktiva samtidigt, stiger spänningen på neuronen över tröskelnivån, och dess eget axon "bryter igenom" synapserna hos neuronerna som är anslutna till den.
Ju kraftigare de initiala skurarna var, desto snabbare växer de utjämnade skurarna, och desto kortare blir fördröjningen tills nästa neuron aktiveras.
Dessutom finns det "hämmande neuroner", vars aktivering sänker den totala spänningen på nervcellerna som är anslutna till den. Sådana hämmande neuroner utgör 15..25% av det totala antalet.
Varje neuron har tusentals synapser; men vid varje given tidpunkt är inte mer än en tiondel av alla synapser aktiva. Neuronreaktionstid - enheter av ms; samma fördröjningsordning för signalutbredning längs dendriten, dvs. dessa förseningar har en betydande inverkan på neuronens funktion. Slutligen är ett par angränsande neuroner, som regel, inte anslutna med en synaps, utan med ungefär ett dussin - var och en med sitt eget avstånd till båda neuronernas kroppar och därför med sin egen fördröjningstid. I illustrationen till höger är två neuroner, som visas i rött och blått, sammankopplade med sex synapser.
Varje synaps har sitt eget "motstånd", vilket minskar den inkommande signalen (i exemplet ovan - från 100mV till 1mV). Detta motstånd justeras dynamiskt: om synapsen är aktiverad precis innan aktivering av axonet - då korrelerar tydligen signalen från denna synaps väl med den allmänna utsignalen, så att motståndet minskar och signalen kommer att ge ett större bidrag till spänningen på neuronen. Om synapsen är aktiverad direkt efter aktivering av axonet - då var tydligen signalen från denna synaps inte relaterad till aktiveringen av axonet, så synapsens motstånd ökar. Om två neuroner är sammankopplade av flera synapser med olika fördröjningslängd, låter denna justering av motståndet dig välja den optimala fördröjningen, eller den optimala kombinationen av fördröjningar: signalen börjar komma exakt när den är mest användbar.
Således är modellen av en neuron som antagits av forskare i neurala nätverk - med en enda koppling mellan ett par av neuroner och med omedelbar spridning av en signal från en neuron till en annan - mycket långt ifrån den biologiska bilden. Dessutom fungerar inte traditionella neurala nätverk tid individuella skurar, och dem frekvens: Ju oftare neuroninmatningen spikes, desto oftare kommer utsignalen att spetsa. Dessa detaljer av neuronstrukturen som kasseras i den traditionella modellen - är de väsentliga eller oviktiga för att beskriva hjärnans arbete? Neurovetenskapsmän har samlat på sig en enorm mängd observationer om neuronernas struktur och beteende - men vilka av dessa observationer som kastar ljus över helhetsbilden och som bara är "implementeringsdetaljer" och - som grenprediktorn i processorn - inte påverkar någonting annat än operativ effektivitet? James menar att det är just de tidsmässiga egenskaperna hos interaktionen mellan neuroner som gör att vi kan komma närmare att förstå frågan; att asynkroni är lika viktigt för hjärnans funktion som synkroni är för datorns funktion.
En annan "implementeringsdetalj" är neurons opålitlighet: med viss sannolikhet kan den aktiveras spontant, även om summan av spänningarna på dess dendriter inte når tröskelnivån. Tack vare detta kan "träning" av en kolumn av neuroner börja med vilket som helst tillräckligt stort motstånd vid alla synapser: initialt kommer ingen kombination av synapsaktiveringar att leda till axonaktivering; då kommer spontana skurar att leda till en minskning av motståndet hos synapser som aktiverades kort innan dessa spontana skurar. På detta sätt kommer neuronen att börja känna igen specifika "mönster" av ingångsskurar. Viktigast av allt, mönstren liknande till de som neuronen tränades på kommer också att kännas igen, men spiken på axonet kommer att vara svagare och/eller senare, ju mindre neuronen är "säker" på resultatet. Att träna en nervkolonn är mycket effektivare än att träna ett konventionellt neuralt nätverk: en kolumn av neuroner behöver inte ett kontrollsvar för de prover som den tränas på - i själva verket behöver den inte känner igen, A klassificerar inmatningsmönster. Dessutom tränar en kolumn av nervceller lokaliserad- förändringen i synapsresistens beror på beteendet hos endast två neuroner som är anslutna av den, och inga andra. Som ett resultat av detta leder träning till en förändring av motståndet längs signalvägen, medan vid träning av ett neuralt nätverk ändras vikterna i motsatt riktning: från neuroner närmast utgången till neuroner närmast ingången.
Till exempel, här är en kolumn av neuroner tränade att känna igen burst-mönstret (8,6,1,6,3,2,5) - värdena anger bursttiden vid var och en av ingångarna. Som ett resultat av träning justeras fördröjningarna för att exakt matcha det igenkända mönstret, så att spänningen på axonet som orsakas av det korrekta mönstret är den maximala möjliga (7):
Samma kolumn kommer att svara på ett liknande ingångsmönster (8,5,2,6,3,3,4) med en mindre spik (6), och spänningen når tröskelnivån märkbart senare:
Slutligen kan hämmande neuroner användas för att ge "feedback": till exempel, som i illustrationen till höger, undertrycka upprepade toppar i utsignalen när inmatningen länge sedan förblir aktiv; eller undertrycka en spik i utgången om den är för fördröjd jämfört med ingångssignalerna - för att göra klassificeraren mer "kategorisk"; eller, i en neural krets för mönsterigenkänning, kan olika klassificerare kolumner kopplas samman med hämmande neuroner så att aktivering av en klassificerare automatiskt undertrycker alla andra klassificerare.
Bildigenkänning
För att känna igen handskrivna siffror från MNIST-databasen (28x28 pixlar i gråskala), satte James ihop en analog av ett femlagers "konvolutionellt neuralt nätverk" från klassificeringskolumnerna som beskrivs ovan. Var och en av de 64 kolumnerna i det första lagret bearbetar ett 5x5 pixelfragment från originalbilden; sådana fragment överlappar varandra. Kolumnerna i det andra lagret bearbetar fyra utdata från det första lagret vardera, vilket motsvarar ett 8x8 pixelfragment från originalbilden. Det tredje lagret har bara fyra kolumner - var och en motsvarar ett fragment på 16x16 pixlar. Det fjärde lagret - den slutliga klassificeraren - delar in alla bilder i 16 klasser: klassen tilldelas i enlighet med vilken av neuronerna som aktiveras först. Slutligen är det femte lagret en klassisk perceptron som korrelerar 16 klasser med 10 kontrollsvar.
Klassiska neurala nätverk baserade på MNIST uppnår en noggrannhet på 99,5 % och ännu högre; Men enligt James tränar hans "hyperkolumn" i ett mycket mindre antal iterationer, på grund av det faktum att förändringar fortplantar sig längs signalvägen och därför påverkar färre neuroner. När det gäller ett klassiskt neuralt nätverk bestämmer utvecklaren av en "hyperkolumn" endast konfigurationen av anslutningar mellan neuroner och alla kvantitativa egenskaper hos hyperkolumnen - dvs. motstånd hos synapser med olika fördröjningar - förvärvas automatiskt under inlärningsprocessen. Dessutom kräver driften av en hyperkolumn en storleksordning färre neuroner än ett neuralt nätverk med liknande kapacitet. Å andra sidan, simulering av sådana "analoga neurokretsar" på elektronisk dator något komplicerat av det faktum att, till skillnad från digitala kretsar som arbetar med diskreta signaler och diskreta tidsintervall, är kontinuitet i spänningsförändringar och asynkroni av neuroner viktiga för driften av neurokretsar. James hävdar att ett simuleringssteg på 0,1ms är tillräckligt för att hans igenkännare ska fungera korrekt; men han specificerade inte hur mycket "realtid" träning och drift av ett klassiskt neuralt nätverk tar, och hur mycket det tar att träna och använda sin simulator. Själv är han sedan länge pensionär, och fritid han ägnar sig åt att förbättra sina analoga neurala kretsar.
Anledningen till att skriva den här artikeln var publiceringen av material av amerikanska neurologer om att mäta den mänskliga hjärnans minneskapacitet, och som presenterades på GeekTimes dagen innan.
I det förberedda materialet kommer jag att försöka förklara mekanismer, egenskaper, funktionalitet, strukturella interaktioner och egenskaper i minnets funktion. Också, varför är det omöjligt att dra analogier med datorer i hjärnans arbete och utföra beräkningar i maskinspråkenheter. Artikeln använder material hämtat från verk av människor som ägnat sina liv åt hårt arbete i studiet av cytoarkitektonik och morfogenetik, bekräftat i praktiken och med resultat i evidensbaserad medicin. Särskilt data från S.V. Savelyev används. vetenskapsman, evolutionist, paleoneurolog, doktor i biologiska vetenskaper, professor, chef för laboratoriet för utveckling av nervsystemet vid Institutet för mänsklig morfologi vid den ryska vetenskapsakademin.
Innan vi fortsätter att överväga frågan och problemet som helhet kommer vi att formulera grundläggande idéer om hjärnan och göra ett antal förklaringar som gör att vi fullt ut kan uppskatta den presenterade synvinkeln.
Det första du bör veta: den mänskliga hjärnan är det mest varierande organet, den skiljer sig mellan män och kvinnor, ras och etniska grupper, variabiliteten är både kvantitativ (hjärnmassa) och kvalitativ (organisation av sulci och veck) till sin natur, detta skillnaden har olika variationer visar sig vara mer än dubbelt.
För det andra: hjärnan är det mest energikrävande organet i människokropp. Med en vikt på 1/50 av kroppsvikten förbrukar den 9% av hela kroppens energi i lugnt tillstånd, till exempel när du ligger på soffan och 25 % av hela kroppens energi, när du aktivt börjar tänka, är en enorm kostnad.
För det tredje: på grund av hög energiförbrukning är hjärnan listig och selektiv, alla energiberoende processer är ofördelaktiga för kroppen, detta innebär att utan extrem biologisk nödvändighet kommer en sådan process inte att stödjas och hjärnan försöker spara kroppens resurser genom att något medel.
Här är kanske tre huvudpunkter från långt ifrån full lista funktioner i hjärnan som kommer att behövas när man analyserar mekanismerna och processerna i mänskligt minne.
Vad är minne? Minnet är en funktion av nervceller. Minnet har inte en separat, passiv energi Inte kostsam lokalisering, som är ett favoritämne för fysiologer och psykologer, anhängare av idén om immateriella former av minne, som vederläggs av sorgliga erfarenheter klinisk död, när hjärnan slutar att få den nödvändiga blodtillförseln och cirka 6 minuter efter klinisk död, börjar oåterkalleliga processer och minnen försvinner oåterkalleligt. Om minnet hade energi Inte beroende källa, kan det återställas, men detta händer inte, vilket innebär att minnet är dynamiskt och konstanta energikostnader för underhållet.
Det är viktigt att veta att nervcellerna som bestämmer mänskligt minne främst finns i neocortox. Neocortex innehåller cirka 11 miljarder. neuroner och många gånger mer glia. (Glia är en typ av celler i nervsystemet. Glia är miljön för neuroner; gliaceller fungerar som en stödjande och skyddande apparat för neuroner. Gliacellernas metabolism är nära relaterad till metabolismen av neuronerna som de omger.
Neocortex:
Glia, neuronanslutningar:
Det är välkänt att information lagras i minnet annan tid, det finns sådana begrepp som långtids- och korttidsminne. Händelser och fenomen glöms snabbt bort om de inte uppdateras och upprepas, vilket är ytterligare en bekräftelse på minnets dynamik. Information behålls på ett visst sätt, men i avsaknad av efterfrågan försvinner den.
Som nämnts tidigare är minnet en energiberoende process. Ingen energi - inget minne. En konsekvens av minnets energiberoende är instabiliteten i dess innehåll. Minnen från tidigare händelser förfalskas i tiden till en punkt av fullständig otillräcklighet. Minnet räknar inte tiden, men det ersätts av hastigheten att glömma. Minnet av en händelse minskar i omvänd proportion till tiden. På en timme är ½ av allt som finns i minnet glömt, på en dag – 2/3, på en månad – 4/5.
Låt oss överväga principerna för minnesdrift, baserat på den biologiska ändamålsenligheten hos resultaten av dess arbete. Fysiska komponenter minnen består av nervbanor som förbinder en eller flera celler. De inkluderar zoner med gradvis och aktiv signalledning, olika system synapser och cellkroppar av neuroner. Låt oss föreställa oss en händelse eller ett fenomen. Mannen ställdes inför en ny, men ganska viktig situation. Genom vissa sinneskopplingar och sinnesorgan fick en person olika information, analysen av händelsen slutade med ett beslut. Samtidigt är personen nöjd med resultatet. Det finns kvarvarande excitation kvar i nervsystemet - rörelsen av signaler genom nätverken som användes för att lösa problemet. Det är de så kallade "gamla kedjorna" som fanns före situationen med behov av att komma ihåg information. Att upprätthålla cirkulationen av olika informationssignaler inom en strukturell kedja är extremt energikrävande. För att ha i åtanke ny information vanligtvis svårt. Vid upprepningar eller liknande situationer kan nya synaptiska kopplingar mellan celler bildas och då kommer den mottagna informationen att komma ihåg under lång tid. Således är memorering bevarandet av kvarvarande aktivitet hos neuroner i en hjärnregion.
Hjärnminne är en påtvingad kompensatorisk reaktion av nervsystemet. All information lagras tillfälligt. Att upprätthålla stabiliteten hos korttidsminnet och uppfattningen av signaler utifrån är extremt energiskt dyrt, nya spännande signaler kommer till samma celler och överföringsfel ackumuleras och energiresurser förbrukas. Läget är dock inte så illa som det ser ut. Nervsystem har långtidsminne. Ofta förvandlar den verkligheten på ett sådant sätt att den gör de ursprungliga föremålen oigenkännliga. Graden av modifiering av ett objekt lagrat i minnet beror på lagringstiden. Minnet bevarar minnen, men ändrar dem som ägaren vill. I kärnan långtids minne ligga enkelt och slumpmässiga processer. Faktum är att neuroner bildar och förstör sina förbindelser under hela livet. Synapser bildas och förstörs ständigt. Ganska grova data tyder på att denna process av spontan bildning av en neuronal synaps kan inträffa hos däggdjur ungefär 3-4 gånger var 2-5 dag. Förgrening av kollateraler som innehåller hundratals olika synapser förekommer något mer sällan. En ny polysynaptisk säkerhet bildas på 40-45 dagar. Eftersom dessa processer förekommer i varje neuron är det fullt möjligt att uppskatta den dagliga långtidsminneskapaciteten för något av djuren. Man kan förvänta sig att i den mänskliga hjärnbarken kommer cirka 800 miljoner nya kopplingar mellan celler att bildas varje dag och ungefär lika många kommer att förstöras. Långtidsminnet är inkluderingen i det nybildade nätverket av områden med helt oanvända, nybildade kontakter mellan celler. Ju fler nya synaptiska kontakter är inblandade i det primära (korttids-) minnesnätverket, desto större chans har detta nätverk att överleva under lång tid.
Att komma ihåg och glömma information. Korttidsminne bildas på grundval av befintliga förbindelser. Dess utseende indikeras av orange pilar i fragment b. Signaler som innehåller både gammal (lila pilar) och ny (orange pilar) information cirkulerar längs samma vägar. Detta leder till extremt kostsam och kortvarig lagring av ny information baserad på gamla kopplingar. Om det inte är viktigt, minskar energikostnaderna för dess underhåll och glömmer uppstår. Vid lagring av "kortsiktig" men nu nödvändig information bildas nya fysiska kopplingar mellan celler längs fragment a-b-c. Detta leder till långtidsminne baserat på användningen av nybildade kopplingar (gula pilar). Om information förblir outnyttjad under en längre tid, ersätts den av annan information. I det här fallet kan anslutningar avbrytas och glömma inträffar. fragment b-b-a eller in-a (blå pilar)."
Av ovanstående framgår att hjärnan är en dynamisk struktur, byggs ständigt om och har vissa fysiologiska gränser, och hjärnan är dessutom ett alltför energikrävande organ. Hjärnan är inte fysiologisk, utan morfogenetisk, därför är dess aktiviteter felaktiga och felaktiga att mäta i system som används och tillämpas i informationsteknologi. På grund av hjärnans individuella variabilitet är det inte möjligt att dra några slutsatser som generaliserar olika funktionella indikatorer mänsklig hjärna. Matematiska metoder De är inte heller tillämpliga för att beräkna den strukturella interaktionen i den mänskliga hjärnans arbete, på grund av den ständiga förändringen, interaktionen och omstruktureringen av nervceller och förbindelserna mellan dem, vilket i sin tur leder till absurditet av amerikanska forskares arbete i studerar den mänskliga hjärnans minneskapacitet.
