Человеческий организм представляет собой довольно сложную и сбалансированную систему, функционирующую в соответствии с четкими правилами. Причем внешне кажется, что все довольно просто, но на самом деле наш организм - это удивительное взаимодействие каждой клеточки и органа. Дирижирует всем этим "оркестром" нервная система, состоящая из нейронов. Сегодня мы расскажем, что такое нейроны и насколько важную роль они играют в теле человека. Ведь именно они отвечают за наше психическое и физическое здоровье.
Каждый школьник знает, что руководит нами мозг и нервная система. Эти два блока нашего организма представлены клетками, каждая из которых называется нервный нейрон. Данные клетки отвечают за принятие и передачу импульсов от нейрона к нейрону и другим клетками человеческих органов.
Чтобы лучше понять, что такое нейроны, их можно представить в виде самого важного элемента нервной системы, который выполняет не только проводящую роль, но и функциональную. Удивительно, но до сих пор нейрофизиологи продолжают изучать нейроны и их работу по передаче информации. Конечно, они добились больших успехов в своих научных изысканиях и сумели раскрыть множество тайн нашего организма, но до сих пор не могут раз и навсегда ответить на вопрос, что такое нейроны.
Нервные клетки: особенности
Нейроны являются клетками и во многом похожи на других своих "собратьев", из которых состоит наше тело. Но они имеют ряд особенностей. Благодаря своей структуре такие клетки в организме человека, соединяясь, создают нервный центр.
Нейрон имеет ядро и окружен защитной оболочкой. Это роднит его со всеми остальными клетками, но на этом сходство и заканчивается. Остальные характеристики нервной клетки делают ее действительно уникальной:
- Нейроны не делятся
Нейроны мозга (головного и спинного) не делятся. Это удивительно, но они останавливаются в развитии практически сразу же после своего возникновения. Ученые считают, что некая клетка-предшественница заканчивает деление еще до полного развития нейрона. В дальнейшем он наращивает только связи, но не свое количество в организме. С этим фактом связывают множество болезней мозга и центральной нервной системы. С возрастом часть нейронов отмирает, а оставшиеся клетки, в связи с малой активностью самого человека, не могут наращивать связи и заменить своих "собратьев". Все это приводит к разбалансировке организма и в некоторых случаях - к смертельному исходу.
- Нервные клетки передают информацию
Нейроны могут передавать и получать информацию с помощью отростков - дендритов и аксонов. Они способны воспринимать определенные данные с помощью химических реакций и преобразовывать ее в электрический импульс, который, в свою очередь, по синапсам (связям) переходит до нужных клеток организма.
Уникальность нервных клеток учеными доказана, но на самом деле они сейчас знают о нейронах всего лишь 20% из того, что те на самом деле скрывают. Потенциал нейронов еще не раскрыт, в научном мире бытует мнение о том, что раскрытие одной тайны функционирования нервных клеток становится началом другой тайны. И этот процесс в настоящий момент представляется бесконечным.
Сколько нейронов в организме?
Эта информация доподлинно неизвестна, но нейрофизиологи предполагают, что нервных клеток в теле человека более ста миллиардов. При этом одна клетка имеет возможность образовывать до десяти тысяч синапсов, позволяющих быстро и эффективно связываться с другими клетками и нейронами.
Строение нейронов
Каждая нервная клетка состоит из трех частей:
- тело нейрона (сома);
- дендриты;
- аксоны.
До сих пор неизвестно, какие из отростков развиваются в теле клетки первыми, но распределение обязанностей между ними вполне очевидно. Отросток нейрона аксон обычно формируется в единственном экземпляре, а вот дендритов может быть очень много. Их количество иногда доходит до нескольких сотен, чем больше дендритов у нервной клетки, тем с большим количеством клеток она может быть связана. К тому же, разветвленная сеть отростков позволяет передавать массу информации в кратчайшие сроки.
Ученые считают, что до формирования отростков нейрон расселяется по телу, и с момента их появления находится уже на одном месте без изменения.
Передача информации нервными клетками
Чтобы понять, насколько важны нейроны, необходимо понять, каким образом они выполняют свою функцию по передаче информации. Импульсы нейронов способны передвигаться в химическом и электрическом виде. Отросток нейрона дендрит получает информацию в качестве раздражителя и передает ее в тело нейрона, аксон передает ее в качестве электронного импульса к другим клеткам. Дендриты другого нейрона воспринимают электронный импульс сразу же или с помощью нейромедиаторов (химических передатчиков). Нейромедиаторы захватываются нейронами и в дальнейшем используются как свои собственные.
Виды нейронов по количеству отростков
Ученые, наблюдая за работой нервных клеток, разработали несколько видов их классификации. Одна из них делит нейроны по количеству отростков:
- униполярные;
- псевдоуниполярные;
- биполярные;
- мультиполярные;
- безаксонные.
Классическим считается нейрон мультиполярный, он имеет один короткий аксон и сеть дендритов. Самыми малоизученными являются безаксонные нервные клетки, ученые знают только их местоположение - спинной мозг.
Рефлекторная дуга: определение и краткая характеристика
В нейрофизике существует такой термин, как "нейроны рефлекторной дуги". Без него довольно сложно получить полное представление о работе и значении нервных клеток. Раздражители, влияющие на нервную систему, называются рефлексами. Это основная деятельность нашей ЦНС, осуществляется она с помощью рефлекторной дуги. Ее можно представить своеобразной дорогой, по которой проходит импульс от нейрона до осуществления действия (рефлекса).
Этот путь можно разделить на несколько этапов:
- восприятие раздражения дендритами;
- передача импульса в тело клетки;
- трансформация информации в электрический импульс;
- передача импульса в орган;
- изменение деятельности органа (физическая реакция на раздражитель).
Рефлекторные дуги могут быть разными и состоять из нескольких нейронов. К примеру, простая рефлекторная дуга образуется из двух нервных клеток. Одна из них получает информацию, а другая заставляет органы человека совершать определенные действия. Обычно такие действия называют безусловным рефлексом. Он возникает, когда человека ударяют, например, по коленной чашечке, и в случае прикосновения к горячей поверхности.
В основном, простая рефлекторная дуга проводит импульсы через отростки спинного мозга, сложносоставная рефлекторная дуга проводит импульс непосредственно в головной мозг, который, в свою очередь, обрабатывает ее и может откладывать на хранение. В дальнейшем при получении схожего импульса мозг отправляет нужную команду к органам для совершения определенной совокупности действий.
Классификация нейронов по функционалу
Классифицировать нейроны можно по их непосредственному назначению, ведь каждая группа нервных клеток предназначена для определенных действий. Виды нейронов представлены следующим образом:
- Чувствительные
Данные нервные клетки предназначены для восприятия раздражения и трансформации его в импульс, перенаправляющийся в мозг.
Воспринимают информацию и передают импульс к мышцам, приводящим в движение части тела и органы человека.
3. Вставочные
Данные нейроны осуществляют сложную работу, они находятся в центре цепочки между чувствительными и двигательными нервными клетками. Подобные нейроны принимают информацию, проводят предварительную обработку и передают импульс-команду.
4. Секреторные
Секреторные нервные клетки синтезируют нейрогормоны и имеют особенное строение с большим количеством мембранных мешочков.
Двигательные нейроны: характеристика
Эфферентные нейроны (двигательные) имеют строение, идентичное другим нервным клеткам. Их сеть дендритов является наиболее разветвленной, а аксоны протягиваются к мышечным волокнам. Они заставляют мышцу сокращаться и распрямляться. Самым длинным в теле человека как раз является аксон двигательного нейрона, идущий до большого пальца ноги от поясничного отдела. В среднем его длина составляет около одного метра.
Практически все эфферентные нейроны располагаются в спинном мозге, ведь именно он отвечает за большинство наших бессознательных движений. Это касается не только безусловных рефлексов (к примеру, моргания), но и любых действий, о которых мы не задумываемся. Когда мы всматриваемся в какой-то предмет, то импульсы посылает к глазному нерву головной мозг. А вот передвижение глазного яблока влево и вправо осуществляется посредством команд спинного мозга, это бессознательные движения. Поэтому с течением возраста, когда увеличивается совокупность бессознательных привычных действий, важность двигательных нейронов представляется в новом свете.
Виды двигательных нейронов
В свою очередь, эфферентные клетки имеют определенную классификацию. Они делятся на два следующих вида:
- а-мотонейроны;
- у-мотонейроны.
Первый вид нейронов имеет более плотную структуру волокна и присоединяется к различным мышечным волокнам. Один такой нейрон может задействовать различное количество мышц.
У-мотонейроны немного слабее своих "собратьев", они не могут задействовать несколько мышечных волокон одновременно и отвечают за натяжение мышцы. Можно сказать, что оба вида нейронов являются контролирующим органом двигательной активности.
К каким мышцам присоединяются двигательные нейроны?
Аксоны нейронов связаны с несколькими видами мышц (они являются рабочими), которые классифицируются как:
- анимальные;
- вегетативные.
Первая группа мышц представлена скелетными, а вторая относится к категории гладких мышц. Разными являются и способы прикрепления к мышечному волокну. Скелетные мышцы в месте соприкосновения с нейронами образуют своеобразные бляшки. Вегетативные нейроны связываются с гладкими мышцами посредством небольших вздутий или пузырьков.
Заключение
Невозможно представить, как функционировал бы наш организм в отсутствие нервных клеток. Они ежесекундно выполняют невероятно сложную работу, отвечая за наше эмоциональное состояние, вкусовые пристрастия и физическую активность. Многие свои тайны нейроны еще не раскрывают. Ведь даже самая простая теория о невосстановлении нейронов у некоторых ученых вызывает множество споров и вопросов. Они готовы доказать, что в некоторых случаях нервные клетки способны не только образовывать новые связи, но и самовоспроизводиться. Конечно, пока это всего лишь теория, но она вполне может оказаться жизнеспособной.
Работа по изучению функционирования центральной нервной системы крайне важна. Ведь благодаря открытиям в этой области фармацевты смогут разрабатывать новые препараты для активации деятельности головного мозга, а психиатры будут лучше понимать природу многих заболеваний, которые сейчас кажутся неизлечимыми.
Каждая структура в организме человека состоит из специфических тканей, присущих органу или системе. В нервной ткани – нейрон (нейроцит, нерв, неврон, нервное волокно). Что такое нейроны головного мозга? Это структурно-функциональная единица нервной ткани, входящая в состав головного мозга. Кроме анатомического определения нейрона, существует также функциональное – это возбуждающаяся электрическими импульсами клетка, способная к обработке, хранению и передаче на другие нейроны информации с помощью химических и электрических сигналов.
Строение нервной клетки не так сложно, в сравнении со специфическими клетками прочих тканей, также оно определяет её функцию. Нейроцит состоит из тела (другое название – сома), и отростков – аксон и дендрит. Каждый элемент неврона выполняет свою функцию. Сома окружена слоем жирной ткани, пропускающая лишь жирорастворимые вещества. Внутри тела располагается ядро и прочие органеллы: рибосомы, эндоплазматическая сеть и другие.
Кроме собственно нейронов, в головном мозге преобладают следующие клетки, а именно: глиальные клетки. Их часто называют мозговым клеем за их функцию: глия выполняет вспомогательную функцию для нейронов, обеспечивая окружение для них. Глиальная ткань предоставляет возможность нервной ткани регенерации, питания и помогает при создании нервного импульса.
Количество нейронов в головном мозге всегда интересовало исследователей в области нейрофизиологии. Так, численность нервных клеток варьировалось от 14 миллиардов до 100. Последними исследованиями бразильских специалистов выяснилось, что число нейронов составляет в среднем 86 миллиардов клеток.
Отростки
Инструментом в руках нейрона являются отростки, благодаря которым нейрон способен выполнять свою функцию передатчика и хранителя информации. Именно отростки формируют широкую нервную сеть, что позволяет человеческой психике раскрываться во всей ее красе. Бытует миф, будто умственные способности человека зависят от количества нейронов или от веса головного мозга, но это не так: гениями становятся те люди, у которых поля и подполя мозга сильно развиты (больше в несколько раз). За счет этого поля, отвечающие за определенные функции, смогут выполнять эти функции креативнее и быстрее.
Аксон
Аксон – это длинный отросток нейрона, передающий нервные импульсы от сомы нерва к другим таким же клеткам или органам, иннервируемым определенным участком нервного столба. Природа наделила позвоночных животных бонусом – миелиновым волокном, в структуре которого находятся шванновские клетки, между которыми располагаются небольшие пустые участки – перехваты Ранвье. По ним, как по лесенке, нервные импульсы перескакивают от одного участка к другому. Такая структура позволяет в разы ускорить передачу информации (примерно до 100 метров в секунду). Скорость передвижения электрического импульса по волокну, не обладающего миелином, составляет в среднем 2-3 метра в секунду.
Дендриты
Иной вид отростков нервной клетки – дендриты. В отличие от длинного и цельного аксона, дендрит является короткой и разветвленной структурой. Этот отросток не участвует в передачи информации, а только в ее получении. Так, к телу нейрона возбуждение поступает с помощью коротких веток дендритов. Сложность информации, которую дендрит способен получит, определяется его синапсами (специфические нервные рецепторы), а именно его диаметром поверхности. Дендриты, благодаря огромному количеству своих шипиков, способны устанавливать сотни тысяч контактов с другими клетками.
Метаболизм в нейроне
Отличительной особенностью нервных клеток является их обмен веществ. Метаболизм в нейроците выделяется своей высокой скоростью и преобладанием аэробных (основанных на кислороде) процессов. Такая черта клетки объясняется тем, что работа головного мозга чрезвычайно энергоемкая, и его потребность в кислороде велика. Несмотря на то, что вес мозга составляет всего 2% от веса всего тела, его потребление кислорода составляет примерно 46 мл/мин, а это – 25% от общего потребления организма.
Главным источником энергии для ткани мозга, кроме кислорода, является глюкоза , где она проходит сложные биохимические преобразования. В конечном итоге из сахарных соединений высвобождается большое количество энергии. Таким образом, на вопрос о том, как улучшить нейронные связи головного мозга, можно ответить: употреблять продукты, содержащие соединения глюкозы.
Функции нейрона
Несмотря на относительно не сложное строение, нейрон обладает множеством функций, главные из которых следующие:
- восприятие раздражения;
- обработка стимула;
- передача импульса;
- формирование ответной реакции.
Функционально нейроны подразделяются на три группы:
Афферентные (чувствительные или сенсорные). Нейроны этой группы воспринимают, перерабатывают и отправляют электрические импульсы к центральной нервной системе. Такие клетки анатомически располагаются вне ЦНС, а в спинномозговых нейронных скоплениях (ганглиях), или таких же скоплениях черепно-мозговых нервов.
Посредники (также эти нейроны, не выходящие за пределы спинного и головного мозга, называются вставочными). Предназначение этих клеток заключается в обеспечении контакта между нейроцитами. Они расположены во всех слоях нервной системы.
Эфферентные (двигательные, моторные). Данная категория нервных клеток отвечает за передачу химических импульсов к иннервируемым органам-исполнителям, обеспечивая их работоспособность и задавая их функциональное состояние.
Кроме этого в нервной системе функционально выделяют еще одну группу – тормозящие (отвечают за торможения возбуждения клеток) нервы. Такие клетки противодействуют распространению электрического потенциала.
Классификация нейронов
Нервные клетки разнообразны как таковые, поэтому нейроны можно классифицировать, отталкиваясь от разных их параметров и атрибутов, а именно:
- Форма тела. В разных отделах мозга располагаются нейроциты разной формы сомы:
- звездчатые;
- веретеновидные;
- пирамидные (клетки Беца).
- По количеству отростков:
- униполярные: имеют один отросток;
- биполярные: на теле располагаются два отростка;
- мультиполярные: на соме подобных клеток располагаются три или более отростков.
- Контактные особенности поверхности нейрона:
- аксо-соматический. В таком случае аксон контактирует с сомой соседней клетки нервной ткани;
- аксо-дендритический. Данный тип контакта предполагает соединение аксона и дендрита;
- аксо-аксональный. Аксон одного нейрона имеет связи с аксоном другой нервной клетки.
Виды нейронов
Для того чтоб осуществлять осознанные движения нужно, чтобы импульс, образовавшийся в двигательных извилинах головного мозга смог достичь необходимых мышц. Таким образом, выделяют следующие виды нейронов: центральный мотонейрон и таковой периферический.
Первый вид нервных клеток берет свое начало у передней центральной извилины, расположенной спереди от самой большой борозды мозга – , а именно от пирамидных клеток Беца. Далее аксоны центрального нейрона углубляются в полушария и проходят сквозь внутреннюю капсулу мозга.
Периферические же двигательные нейроциты образованы двигательными нейронами передних рогов спинного мозга. Их аксоны достигают различных образований, таких как сплетения, спинномозговые нервные скопления, и, главное – мышц-исполнителей.
Развитие и рост нейронов
Нервная клетка берет свое начало от клетки-предшественницы. Развиваясь, первые начинают отрастать аксоны, дендриты дозревают несколько позже. Под конец эволюции отростка нейроцита у сомы клетки образуется маленькое уплотнение неправильной формы. Такое образование называется конусом роста. В нем содержатся митохондрии, нейрофиламенты и трубочки. Постепенно созревают рецепторные системы клетки и расширяются синаптические области нейроцита.
Проводящие пути
Нервная система имеет свои сферы влияния по всему организму. С помощью проводящих волокон осуществляется нервная регуляция систем, органов и тканей. Мозг, благодаря широкой системе проводящих путей, полностью контролирует анатомическое и функциональное состояние всякой структуры организма. Почки, печень, желудок, мышцы и другие – все это инспектирует головной мозг, тщательно и кропотливо координируя и регулируя каждый миллиметр ткани. А в случае сбоя – корректирует и подбирает подходящую модель поведения. Таким образом, благодаря проводящим путям организм человека отличается автономностью, саморегуляцией и адаптивностью к внешней среде.
Проводящие пути головного мозга
Проводящий путь – это скопление нервных клеток, функция которых заключается в обмене информации между различными участками тела.
- Ассоциативные нервные волокна. Эти клетки соединяют между собой различные нервные центры, что располагаются в одном полушарии.
- Комиссуриальные волокна. Эта группа отвечает за обмен информацией между аналогичными центрами головного мозга.
- Проекционные нервные волокна. Данная категория волокон сочленяет головной мозг со спинным.
- Экстероцептивные пути. Они несут электрические импульсы от кожи и других органов чувств к спинному мозгу.
- Проприоцептивные. Такая группа путей проводят сигналы от сухожилий, мышц, связок и суставов.
- Интероцептивные проводящие пути. Волокна этого тракта берут начало из внутренних органов, сосудов и кишечных брыжеек.
Взаимодействие с нейромедиаторами
Нейроны разного местонахождения общаются между собой с помощью электрических импульсов химической природы. Так, что же лежит в основе их образования? Существуют так называемые нейромедиаторы (нейротрансмиттеры) – сложные химические соединения. На поверхности аксона располагается нервный синапс – контактная поверхность. С одной стороны находится пресинаптическая щель, а с другой – постсинаптическая. Между ними находится щель – это и есть синапс. На пресинаптической части рецептора располагаются мешочки (везикулы), содержащие определенное количество нейромедиаторов (квант).
Когда импульс подходит к первой части синапса, инициируется сложный биохимический каскадный механизм, в результате которого мешочки с медиаторами вскрываются, и кванты веществ-посредников плавно вытекают в щель. На этом этапе импульс исчезает, и появляется вновь только тогда, когда нейромедиаторы достигают постсинаптической щели. Тогда снова активируются биохимические процессы с открытиями ворот для медиаторов и те, действуя на мельчайшие рецепторы, преобразуются в электрический импульс, идущий далее в глубины нервных волокон.
Между тем выделяют разные группы этих самых нейромедиаторов, а именно:
- Тормозные нейромедиаторы – группа веществ, осуществляющие тормозное действие на возбуждение. К ним относят:
- гамма-аминомасляную кислоту (ГАМК);
- глицин.
- Возбуждающие медиаторы:
- ацетилхолин;
- дофамин;
- серотонин;
- норадреналин;
- адреналин.
Восстанавливаются ли нервные клетки
Долгое время считалось, что нейроны не способны к делению. Однако такое утверждение, согласно современным исследованиям, оказалось ложным: в некоторых отделах мозга происходит процесс нейрогенеза предшественников нейроцитов. Кроме того, мозговая ткань обладает выдающимися способностями к нейропластичности. Известно множество случаев, когда здоровый участок мозга берет на себя функцию поврежденного.
Многие специалисты в области нейрофизиологии задавались вопросом о том, как восстановить нейроны головного мозга. Свежими исследованиями американских ученых выяснилось: для своевременной и правильной регенерации нейроцитов не нужно употреблять дорогие препараты. Для этого необходимо лишь составить верный режим сна и правильно питаться с включением в диету витаминов группы В и низкокалорийной пищи.
В случае если произойдет нарушение нейронных связей головного мозга, те способны восстановиться. Однако существуют серьезные патологии нервных связей и путей, такие как болезнь двигательного нейрона. Тогда необходимо обращаться к специализированной клинической помощи, где врачи-неврологи смогут выяснить причину патологии и составить правильное лечение.
Люди, ранее употреблявшие или употребляющие алкоголь, часто задают вопрос о том, как восстановить нейроны головного мозга после алкоголя. Специалист бы ответил, что для этого необходимо систематично работать над своим здоровьем. В комплекс мероприятий входит сбалансированное питание, регулярное занятие спортом, умственная деятельность, прогулки и путешествия. Доказано: нейронные связи головного мозга развиваются через изучение и созерцание категорически новой для человека информации.
В условиях перенасыщения лишней информацией, существования рынка фаст-фуда и сидящего образа жизни мозг качественно поддаётся различным повреждениям. Атеросклероз, тромботические образование на сосудах, хронические стрессы, инфекции, – все это – прямая дорога к засорению мозга. Несмотря на это существуют лекарства, восстанавливающие клетки головного мозга. Основная и популярная группа – ноотропы. Препараты данной категории стимулируют обмен веществ в нейроцитах, увеличивают стойкость к кислородной недостаточности и оказывают позитивный эффект на различные психические процессы (память, внимание, мышление). Кроме ноотропов, фармацевтический рынок предлагает препараты, содержащие никотиновую кислоту, укрепляющие стенки сосудов средства и другие. Следует помнить, что восстановление нейронных связей головного мозга при приеме различных препаратов является долгим процессом.
Влияние алкоголя на головной мозг
Алкоголь оказывает негативное влияние на все органы и системы, а особенно – на головной мозг. Этиловый спирт легко проникает сквозь защитные барьеры мозга. Метаболит алкоголя – ацетальдегид – серьезная угроза для нейронов: алькогольдегидрогеназа (фермент, обрабатывающий алкоголь в печени) в процессе переработки организмом тянет на себя больше количество жидкости, включая воду из мозга. Таким образом, алкогольные соединения просто сушат мозг, вытаскивая из него воду, в результате чего структуры мозга атрофируются, и происходит отмирание клеток. В случае одноразового употребления алкоголя такие процессы обратимы, чего нельзя утверждать о хроническом приеме спиртного, когда, кроме органических изменений, формируются устойчивые патохарактерологические черты алкоголика. Больше подробной информации о том, как происходит «Влияние алкоголя на мозг».
Способность клеток реагировать на раздражители внешнего мира - основной критерий живого организма. Структурные элементы нервной ткани - нейроны млекопитающих и человека - способны трансформировать раздражители (свет, запах, звуковые волны) в процесс возбуждения. Его конечный результат - адекватная реакция организма в ответ на различные воздействия внешней среды. В данной статье мы изучим, какую функцию выполняют нейроны головного мозга и периферические отделы нервной системы, а также рассмотрим классификацию нейронов в связи с особенностями их функционирования в живых организмах.
Образование нервной ткани
Прежде чем изучать функции нейрона, давайте разберемся, каким образом формируются клетки-нейроциты. На стадии нейрулы у зародыша закладывается нервная трубка. Она формируется из эктодермального листка, имеющего утолщение - нервной пластинки. Расширенный конец трубки в дальнейшем сформирует пять частей в виде мозговых пузырей. Из них образуются Основная часть нервной трубки в процессе зародышевого развития сформировывает от которого отходит 31 пара нервов.
Нейроны головного мозга объединяются, образуя ядра. Из них выходит 12 пар черепно-мозговых нервов. В организме человека нервная система дифференцируется на центральный отдел - головной и спинной мозг, состоящий из клеток-нейроцитов, и опорную ткань - нейроглию. Периферический отдел состоит из соматической и вегетативной части. Их нервные окончания иннервируют все органы и ткани организма.
Нейроны - структурные единицы нервной системы
Они имеют различные размеры, форму и свойства. Функции нейрона многообразны: участие в образовании рефлекторных дуг, восприятие раздражения из внешней среды, передача возникшего возбуждения к другим клеткам. От нейрона отходит несколько отростков. Длинный - аксон, короткие ветвятся и называются дендритами.
Цитологические исследования выявили в теле нервной клетки ядро с одним - двумя ядрышками, хорошо сформированную эндоплазматическую сеть, множество митохондрий и мощный белоксинтезирующий аппарат. Он представлен рибосомами и молекулами РНК и иРНК. Эти вещества образуют специфическую структуру нейроцитов - субстанцию Ниссля. Особенность нервных клеток - большое количество отростков способствует тому, что основная функция нейрона - передача Она обеспечивается как дендритами, так и аксоном. Первые воспринимают сигналы и передают их в тело нейроцита, а аксон - единственный очень длинный отросток, проводит возбуждение к другим нервным клеткам.Продолжая находить ответ на вопрос: какую функцию выполняют нейроны обратимся к строению такого вещества, как нейроглия.
Структуры нервной ткани
Нейроциты окружены особым веществом, которому присущи опорные и защитные свойства. Для него также характерная способность к делению. Это соединение называется нейроглия.
Эта структура находится в тесной связи с нервными клетками. Так как главные функции нейрона - это генерация и проведение нервных импульсов, то глиальные клетки оказываются под воздействием процесса возбуждения и изменяют свои электрические характеристики. Кроме трофической и защитной функций, глия обеспечивает метаболические реакции в нейроцитах и способствует пластичность нервной ткани.
Механизм проведения возбуждения в нейронах
Каждая нервная клетка образует несколько тысяч контактов с другими нейроцитами. Электрические импульсы, являющиеся основой процессов возбуждения, передаются от тела нейрона по аксону, а он контактирует с другими структурными элементами нервной ткани или входит непосредственно в рабочий орган, например, в мышцу. Чтобы установить, какую функцию выполняют нейроны, нужно изучить механизм передачи возбуждения. Он осуществляется аксонами. В двигательных нервах они покрыты и называются мякотными. В находятся безмиелиновые отростки. По ним возбуждение должно поступить в соседний нейроцит.
Что такое синапс
Место контакта двух клеток называется синапсом. Передача возбуждения в нем происходит или с помощью химических веществ - медиаторов, или путем прохождения ионов из одного нейрона в другой, то есть электрическими импульсами.
Благодаря образованию синапсов нейроны создают сетчатую структуру стволовой части головного и отделов спинного мозга. Она называется начинается из нижней части продолговатого мозга и захватывает ядра мозгового ствола, или нейроны головного мозга. Сетчатая структура поддерживает активное состояние коры больших полушарий и руководит рефлекторными актами спинного мозга.
Искусственный интеллект
Идея о синаптических связях между нейронами центральной нервной системы и изучение функций ретикулярной информации в настоящее время воплощена наукой в виде искусственной нейронной сети. В ней выходы одной искусственной нервной клетки соединены со входами другой специальными связями, дублирующими своими функциями реальные синапсы. Функция активации нейрона искусственного нейрокомпьютера - это суммация всех входных сигналов, поступающих в искусственную нервную клетку, преобразованная в нелинейную функцию от линейной составляющей. Её еще называют функцией срабатывания (передаточной). При создании искусственного интеллекта наибольшее распространение получили линейная, полулинейная и шаговая активационные функции нейрона.
Афферентные нейроциты
Они еще называются чувствительными и имеют короткие отростки, которые входят в клетки кожи и всех внутренних органов (рецепторы). Воспринимая раздражение внешней среды, рецепторы трансформируют их в процесс возбуждения. В зависимости от типа раздражителя, нервные окончания делятся на: терморецепторы, механорецепторы, ноцицепторы. Таким образом, функции чувствительного нейрона - это восприятие раздражителей, их различение, генерация возбуждения и передача его в центральную нервную систему. Сенсорные нейроны входят в задние рога спинного мозга. Их тела располагаются в узлах (ганглиях), находящихся вне центральной нервной системы. Так образуются ганглии черепно-мозговых и спинномозговых нервов. Афферентные нейроны имеют большое количество дендритов, вместе с аксоном и телом они являются обязательным компонентом всех рефлекторных дуг. Поэтому функции заключаются как в передаче процесса возбуждения в головной и спинной мозг, так и в участии в образовании рефлексов.
Особенности интернейрона
Продолжая изучать свойства структурных элементов нервной ткани, выясним, какую функцию выполняют вставочные нейроны. Этот вид нервных клеток принимает биоэлектрические импульсы от сенсорного нейроцита и передает их:
а) другим интернейронами;
б) двигательным нейроцитам.
Большинство интернейронов имеют аксоны, концевые участки которых - терминали, связаны с нейроцитами одного центра.
Вставочный нейрон, функции которого - интеграция возбуждения и распространения его далее в отделы центральной нервной системы, являются обязательным компонентом большинства безусловно-рефлекторных и условно-рефлекторных нервных дуг. Возбуждающие интернейроны способствуют передаче сигнала между функциональными группами нейроцитов. Тормозные вставочные нервные клетки получают возбуждение из собственного центра по обратным связям. Это способствует тому, что вставочный нейрон, функции которого - передача и длительное сохранение нервных импульсов, обеспечивает активацию сенсорных спинномозговых нервов.
Функция двигательного нейрона
Мотонейрон является заключительной структурной единицей рефлекторной дуги. Он имеет большое тело, заключенное в передние рога спинного мозга. Те нервные клетки, которые иннервируют имеют названия этих двигательных элементов. Другие эфферентные нейроциты входят в секретирующие клетки желез и вызывают выделение соответствующих веществ: секретов, гормонов. В непроизвольных, то есть безусловно-рефлекторных актах (глотание, слюноотделение, дефекация) эфферентные нейроны отходят от спинного мозга или от стволовой части головного мозга. Для выполнения сложных действий и движений организм использует два вида центробежных нейроцитов: центральный двигательный и периферический двигательный. Тело центрального мотонейрона находится в коре головного мозга, вблизи от роландовой борозды.
Тела периферических двигательных нейроцитов, иннервирующих мышцы конечностей, туловища, шеи, расположены в передних рогах спинного мозга, а их длинные отростки - аксоны - выходят из передних корешков. Они образуют моторные волокна 31 пары спинномозговых нервов. Периферические двигательные нейроциты, иннервирующие мышцы лица, глотки, гортани, языка располагаются в ядрах блуждающего, подъязычного и языкоглоточного черепно-мозговых нервов. Следовательно, главная функция двигательного нейрона - беспрепятственное проведение возбуждения к мышцам, секретирующим клеткам и другим рабочим органам.
Обмен веществ в нейроцитах
Главные функции нейрона - образование биоэлектрического и передача его другим нервным клеткам, мышцам, секретирующим клеткам - обусловлены особенностями строения нейроцита, а также специфическими реакциями обмена веществ. Цитологические исследования доказали, что нейроны содержат большое количество митохондрий, синтезирующих молекулы АТФ, развитый гранулярный ретикулум со множеством рибосомных частиц. Они активно синтезируют клеточные белки. Мембрана нервной клетки и его отростков - аксона и дендритов выполняет функцию избирательного транспорта молекул и ионов. Метаболические реакции в нейроцитах протекают с участием разнообразных ферментов и характеризуются высокой интенсивностью.
Передача возбуждения в синапсах
Рассматривая механизм проведения возбуждения в нейронах, мы ознакомились с синапсами - образованиями, возникающими в месте контакта двух нейроцитов. Возбуждения в первой нервной клетке вызывает образование в коллатералях её аксона молекул химических веществ - медиаторов. К ним относятся аминокислоты, ацетилхолин, норадреналин. Выделяясь из пузырьков синоптических окончаний в синоптическою щель, он может влиять как на собственную постсинаптическую мембрану, так и воздействовать на оболочки соседних нейронов.
Молекулы нейромедиаторов служат раздражителем для другой нервной клетки, вызывая в её мембране изменения зарядов - потенциал действия. Таким образом, возбуждение быстро распространяется по нервным волокнам и достигает отделов центральной нервной системы или же поступает в мышцы и железы, вызывая их адекватное действие.
Пластичность нейронов
Учеными установлено, что в процессе эмбриогенеза, а именно в стадии нейруляции, из эктодермы развивается очень большое количество первичных нейронов. Около 65% из них погибают еще до момента рождения человека. В течение онтогенеза некоторые клетки головного мозга продолжают элиминировать. Это естественный запрограммированный процесс. Нейроциты, в отличие от эпителиальных или соединительных клеток, неспособны к делению и регенерации, так как гены, отвечающие за эти процессы, инактивированы в хромосомах человека. Тем не менее мозг и умственная работоспособность могут сохраняться многие годы, существенно не снижаясь. Это объясняется тем, что функции нейрона, утраченные в процессе онтогенеза, берут на себя другие нервные клетки. Им приходится усиливать свой обмен веществ и создавать новые дополнительные нервные связи, компенсирующие утраченные функции. Это явление называется пластичностью нейроцитов.
Что отражается в нейронах
В конце ХХ века группа итальянских нейрофизиологов установила интересный факт: в нервных клетках возможно зеркальное отражение сознания. Это значит, что в коре головного мозга формируется фантом сознания людей, с которыми мы общаемся. Входящие в зеркальную систему нейроны выполняют функции резонаторов мыслительной активности окружающих людей. Поэтому человек способен предугадывать намерения собеседника. Структура таких нейроцитов также обеспечивает особый психологический феномен, называемый эмпатией. Он характеризуется способностью проникать в мир эмоций другого человека и сопереживать его чувствам.
Человеческий мозг – это центральная часть нервной системы. Здесь осуществляется управление всеми процессами, происходящими в организме, на основе информации, поступающей от внешнего мира.
Нейроны головного мозга – это структурные функциональные единицы нервной ткани, обеспечивающие способность живых организмов приспосабливаться к изменениям внешней среды. Человеческий мозг состоит из нейронов.
Функции нейронов головного мозга:
- передача информации об изменениях внешней среды;
- запоминание информации на длительный срок;
- создание образа внешнего мира на основе полученных сведений;
- организация оптимального поведения человека.
Все эти задачи подчинены одной цели – обеспечению живому организму успеха в борьбе за существование.
В этой статье будут рассмотрены следующие особенности нейронов:
- строение;
- взаимосвязь между собой;
- виды;
- развитие в разные периоды жизни человека.
В левом полушарии мозга содержится на 200 000 000 нейронов больше, чем в правом.
Строение нервной клетки
Нейроны в мозге имеют неправильную форму, они могут быть похожи на листик или цветок, обладать различными бороздами и извилинами. Цветовая палитра также разнообразна. Ученые полагают, что существует взаимосвязь между цветом и формой клетки и ее назначением.
Например, рецептивные поля клеток проекционной области зрительной коры имеют вытянутую форму, это помогает им избирательно реагировать на отдельные фрагменты линий с различной ориентацией в пространстве.
Каждая клетка имеет тело и отростки. В мозговой ткани принято выделять серое и белое вещество. Тела нейронов вместе с глиальными клетками, обеспечивающими защиту, изоляцию и сохранение структуры нервной ткани, составляют серое вещество. Отростки, организованные в пучки в соответствии с функциональным назначением, – это белое вещество.
Соотношение нейронов и глии у человека равно 1:10.
Виды отростков:
- аксоны – имеют удлиненный вид, на конце ветвятся на терминали – нервные окончания, которые необходимы для передачи импульса к другим клеткам;
- дендриты – более короткие, чем аксоны, также имеют разветвленную структуру; через них нейрон получает информацию.
Благодаря такому строению нейроны в головном мозге «общаются» между собой и объединяются в нейронные сети, которые и образуют мозговую ткань. И дендриты, и аксоны постоянно растут. Эта пластичность нервной системы лежит в основе развития интеллекта.
Нерв – это скопление многочисленных аксонов, принадлежащих разным нервным клеткам.
Синаптические связи
В основе формирования нейронных сетей лежит электрическое возбуждение, которое состоит из двух процессов:
- запуск электрического возбуждения от энергии внешних воздействий – происходит за счет особой чувствительности мембран, расположенных на дендритах;
- запуск клеточной активности на основании полученного сигнала и воздействие на другие структурные единицы нервной системы.
Быстродействие нейронов исчисляется несколькими миллисекундами.
Нейроны связаны между собой посредством специальных структур – синапсов. Они состоят из пресинаптической и постсинаптической мембран, между которыми находится синаптическая щель, заполненная жидкостью.
По характеру действия синапсы могут быть возбуждающими и тормозными. Передача сигналов может быть химической и электрической.
В первом случае на пресинаптической мембране синтезируются нейромедиаторы, которые поступают на рецепторы постсинаптической мембраны другой клетки из специальных пузырьков – везикул. После их воздействия в соседний нейрон могут массированно поступать ионы определенного вида. Это происходит через калийные и натриевые каналы. В обычном состоянии они закрыты, внутри клетки находятся отрицательно заряженные ионы, а снаружи – положительно. Следовательно, на оболочке образуется разница напряжений. Это потенциал покоя. После попадания положительно заряженных ионов внутрь возникает потенциал действия – нервный импульс.
Баланс клетки восстанавливается с помощью специализированных белков – калиево-натриевых насосов.
Свойства химических синапсов:
- возбуждение осуществляется только в одном направлении;
- наличие задержки от 0,5 до 2 мс при передаче сигнала, связанной с длительностью процессов выделения медиатора, его передачи, взаимодействия с рецептором и образования потенциала действия;
- может возникать утомление, вызванное истощением запаса медиатора или появлением стойкой деполяризации мембраны;
- высокая чувствительность к ядам, лекарственным препаратам и другим биологически активным веществам.
В настоящее время известно более 100 нейромедиаторов. Примеры этих веществ – дофамин, норадреналин, ацетилхолин.
Для электрической передачи характерна узкая синаптическая щель и пониженное сопротивление между мембранами. В таком случае потенциал, созданный на пресинаптической мембране, вызывает распространение возбуждения на постсинаптической мембране.
Свойства электрических синапсов:
- скорость передачи информации выше, чем в химических синапсах;
- возможна как односторонняя, так и двусторонняя передача сигнала (в обратную сторону).
Также существуют смешанные синапсы, в них возбуждение может передаваться как с помощью нейромедиаторов, так и с помощью электрических импульсов.
Память включает в себя хранение и воспроизведение полученной информации. В результате обучения остаются так называемые следы памяти, а их наборы образуют энграммы – «записи». Нейронный механизм заключается в следующем: по цепи много раз проходят определенные импульсы, формируются структурные и биохимические изменения в синапсах. Этот процесс называется консолидацией. Многократное использование одних и тех же контактов создает специфические белки – это и есть следы памяти.
Особенности развития мозговой ткани
Структуры мозга продолжают формироваться до 3 лет. Масса мозга удваивается к концу первого года жизни ребенка.
Зрелость нервной ткани определяется степенью развития двух процессов:
- миелинизация – образование изолирующих оболочек;
- синаптогенез – формирование синаптических связей.
Миелинизация начинается на 4 месяце внутриутробной жизни с эволюционно более «старых» структур мозга, отвечающих за сенсорные и моторные функции. В системах, контролирующих скелетную мускулатуру, — незадолго до появления на свет младенца, и активно продолжается в течение первого года жизни. А в областях, связанных с высшими психическими функциями, такими как обучение, речь, мышление, миелинизация начинается лишь после рождения.
Именно поэтому в этот период особенно опасны инфекции и вирусы, оказывающие вредное воздействие на мозг. Это можно сравнить с автомобильной аварией: столкновение на маленькой скорости принесет меньший урон, чем на большой. Так и здесь – вмешательство в активный процесс созревания может нанести огромный вред и привести к печальным последствиям – ДЦП, олигофрении или задержке психического развития.
Стабилизация психофизиологических характеристик индивида происходит в 20 – 25 лет.
Процесс развития отдельной нервной клетки начинается с образования, имеющего специфическую электрическую активность. Его отростки, вытягиваясь, проникают в окружающие ткани и устанавливают синаптические контакты. Таким образом происходит иннервация (управление) всеми органами и системами организма. Данный процесс контролируется более чем половиной генов человека.
Клетки объединяются в особые связанные структуры – нейросети, которые выполняют конкретные функции.
Одно из научных предположений гласит, что иерархия структуры нейронов в головном мозге напоминает устройство Вселенной.
Развитие нейронов, их специализация, продолжается в течение всей жизни человека. У взрослого и младенца число нейронов приблизительно совпадает, но длина отростков и их количество отличается во много раз. Это связано с обучением и формированием новых связей.
Продолжительность существования нервных клеток и их хозяина чаще всего совпадает.
Виды нервных клеток
Каждый элемент в нейронной системе мозга выполняет определенную функцию. Рассмотрим, за что отвечают определенные виды нейронов.
Рецепторы
Большая часть рецепторных нейронов располагается в , их функция – передавать сигнал от рецепторов органов чувств в центральную нервную систему.
Командные нейроны
Здесь сходятся пути от клеток-детекторов, кратковременной и долговременной памяти и осуществляется принятие решения в ответ на входящий сигнал. Далее поступает команда в премоторные зоны, и формируется реакция.
Эффекторы
Они транслируют сигнал к органам и тканям. Эти нейроны имеют длинные аксоны. Мотонейроны – это эффекторные клетки, аксоны которых образуют нервные волокна, ведущие к мышцам. Эффекторные нейроны, регулирующие деятельность вегетативной нервной системы (к ней относятся обмен веществ, управление внутренними органами, дыхание, сердцебиение – все, что происходит без сознательного контроля), находятся за пределами головного мозга.
Промежуточные
Еще их называют контактными или вставочными – эти клетки являются связующим звеном между рецепторами и эффекторами.
Зеркальные нейроны
Данные нейроны обнаружены в различных участках центральной нервной системы. Считается, что эволюционно они появились для того, чтобы детеныши лучше и быстрее устраивались в окружающем мире.
Клетки были обнаружены в результате опыта с обезьянами. Животное доставало еду из кормушки специальными инструментами. Когда ученый делал то же самое, было выявлено, что у подопытной особи активируются определенные участки коры, как будто бы это делала она сама.
На работе зеркальных нейронов базируются эмпатия, социальные навыки, обучение, повторение, имитация. Способность прогнозировать тоже относится к этим клеткам.
Ученые установили: отчетливо представлять и делать – почти одно и то же. Такой метод психотерапии как визуализация построен на этом постулате.
Зеркальный нейроны – основа передачи культурного пласта от поколения к поколению и его наращивания. Например, обучаясь живописи, сначала мы повторяем уже существующие способы, то есть имитируем. А потом, на основе этого опыта, создаются оригинальные работы.
Нейроны новизны и тождества
Нейроны новизны впервые были обнаружены при исследовании лягушек, впоследствии были найдены и у человека. Эти клетки перестают отвечать на повторяющийся стимул. Изменение же сигнала, наоборот, провоцирует их активацию.
Клетки тождества определяют повторяющийся сигнал, что позволяет выдать ранее использовавшуюся реакцию, иногда даже опережая стимул – экстраполярный ответ.
Их совместное действие подчеркивает новизну, ослабляет влияние привычных стимулов и оптимизирует время формирования ответного поведения.
Заболевания, связанные с дефектами нервной ткани
В основе многих расстройств здоровья человека могут лежать различные нарушения нейронных связей головного мозга.
Аутизм
Ученые полагают, что аутизм связан с неразвитостью или дисфункцией зеркальных нейронов. Малыш, смотря на взрослого, не может понять поведение и эмоции другого человека и спрогнозировать его действия. Зарождается страх. Защитная реакция – замыкание в себе.
Болезнь Паркинсона
Причина нарушения двигательных функции при данном недуге – повреждение и гибель нейронов, продуцирующих дофамин.
Болезнь Альцгеймера
Одной из возможных причин является снижение производства нейромедиатора ацетилхолина. Второй вариант – накопление в нервной ткани амилоидных бляшек – патологического белкового налета.
Шизофрения
Одна из теорий гласит, что между клетками мозга шизофреника имеется нарушение контактов. Исследования показали, что у таких людей неправильно работают гены, отвечающие за выделение нейромедиаторов в синапсах. Еще одна версия – излишняя выработка дофамина. Третья теория происхождения заболевания – снижение скорости прохождения нервных импульсов вследствие повреждения миелиновых оболочек.
Нейродегеративные заболевания (связанные с гибелью нейронов) дают о себе знать тогда, когда большая часть клеток погибла, поэтому лечение начинается на поздних стадиях. Человек выглядит здоровым, признаков болезни нет, а опасный процесс уже запущен. Это происходит от того, что человеческий мозг очень пластичен и имеет мощные компенсаторные механизмы. Пример: когда умирают нейроны-производители дофамина при , оставшиеся клетки продуцируют большее количество вещества. Также увеличивается чувствительность к нейромедиатору клеток, принимающих сигнал. Какое-то время эти процессы не дают проявляться симптомам болезни.
При недугах, вызванных аномалиями хромосом (синдром Дауна, синдром Вильямса), обнаруживаются патологические виды нервных клеток.
С моим видением того как работает мозг и каковы возможные пути создания искусственного интеллекта. За прошедшее с тех пор время удалось существенно продвинуться вперед. Что-то получилось глубже понять, что-то удалось смоделировать на компьютере. Что приятно, появились единомышленники, активно участвующие в работе над проектом.
В настоящем цикле статей планируется рассказать о той концепции интеллекта над которой мы сейчас работаем и продемонстрировать некоторые решения, являющиеся принципиально новыми в сфере моделирования работы мозга. Но чтобы повествование было понятным и последовательным оно будет содержать не только описание новых идей, но и рассказ о работе мозга вообще. Какие-то вещи, особенно в начале, возможно покажутся простыми и общеизвестными, но я бы советовал не пропускать их, так как они во многом определяют общую доказательность повествования.
Общее представление о мозге
Нервные клетки, они же нейроны, вместе со своими волокнами, передающими сигналы, образуют нервную систему. У позвоночных основная часть нейронов сосредоточена в полости черепа и позвоночном канале. Это называется центральной нервной системой. Соответственно, выделяют головной и спинной мозг как ее составляющие.
Спинной мозг собирает сигналы от большинства рецепторов тела и передает их в головной мозг. Через структуры таламуса они распределяются и проецируются на кору больших полушарий головного мозга.
Кроме больших полушарий обработкой информации занимается еще и мозжечок, который, по сути, является маленьким самостоятельным мозгом. Мозжечок обеспечивает точную моторику и координацию всех движений.
Зрение, слух и обоняние обеспечивают мозг потоком информации о внешнем мире. Каждая из составляющих этого потока, пройдя по своему тракту, также проецируется на кору. Кора – это слой серого вещества толщиной от 1.3 до 4.5 мм, составляющий наружную поверхность мозга. За счет извилин, образованных складками, кора упакована так, что занимает в три раза меньшую площадь, чем в расправленном виде. Общая площадь коры одного полушария – приблизительно 7000 кв.см.
В итоге все сигналы проецируются на кору. Проекция осуществляется пучками нервных волокон, которые распределяются по ограниченным областям коры. Участок, на который проецируется либо внешняя информация, либо информация с других участков мозга образует зону коры. В зависимости от того, какие сигналы на такую зону поступают, она имеет свою специализацию. Различают моторную зону коры, сенсорную зону, зоны Брока, Вернике, зрительные зоны, затылочную долю, всего около сотни различных зон.
В вертикальном направлении кору принято делить на шесть слоев. Эти слои не имеют четких границ и определяются по преобладанию того или иного типа клеток. В различных зонах коры эти слои могут быть выражены по-разному, сильнее или слабее. Но, в общем и целом, можно говорить о том, что кора достаточно универсальна, и предполагать, что функционирование разных ее зон подчиняется одним и тем же принципам.
Слои коры
По афферентным волокнам сигналы поступают в кору. Они попадают на III, IV уровень коры, где распределяются по близлежащим к тому месту, куда попало афферентное волокно, нейронам. Большая часть нейронов имеет аксонные связи в пределах своего участка коры. Но некоторые нейроны имеют аксоны, выходящие за ее пределы. По этим эфферентным волокнам сигналы идут либо за пределы мозга, например, к исполнительным органам, или проецируются на другие участки коры своего или другого полушария. В зависимости от направления передачи сигналов эфферентные волокна принято делить на:
- ассоциативные волокна, которые связывают отдельные участки коры одного полушария;
- комиссуральные волокна, которые соединяют кору двух полушарий;
- проекционные волокна, которые соединяют кору с ядрами низших отделов центральной нервной системы.
Можно представить себе кору головного мозга как большое полотно, раскроенное на отдельные зоны. Картина активности нейронов каждой из зон кодирует определенную информацию. Пучки нервных волокон, образованные аксонами, выходящими за пределы своей зоны коры, формируют систему проекционных связей. На каждую из зон проецируется определенная информация. Причем на одну зону может поступать одновременно несколько информационных потоков, которые могут приходить как с зон своего, так и противоположного полушария. Каждый поток информации похож на своеобразную картинку, нарисованную активностью аксонов нервного пучка. Функционирование отдельной зоны коры – это получение множества проекций, запоминание информации, ее переработка, формирование собственной картины активности и дальнейшая проекция информации, получившейся в результате работы этой зоны.
Существенный объем мозга – это белое вещество. Оно образовано аксонами нейронов, создающими те самые проекционные пути. На рисунке ниже белое вещество можно увидеть как светлое заполнение между корой и внутренними структурам мозга.
Распределение белого вещества на фронтальном срезе мозга
Используя диффузную спектральную МРТ, удалось отследить направление отдельных волокон и построить трехмерную модель связанности зон коры (проект Connectomics (Коннектом)).
Представление о структуре связей хорошо дают рисунки ниже (Van J. Wedeen, Douglas L. Rosene, Ruopeng Wang, Guangping Dai, Farzad Mortazavi, Patric Hagmann, Jon H. Kaas, Wen-Yih I. Tseng, 2012).
Вид со стороны левого полушария
Вид сзади
Вид справа
Кстати, на виде сзади отчетливо видна асимметрия проекционных путей левого и правого полушария. Эта асимметрия во многом и определяет различия в тех функциях, которые приобретают полушария по мере их обучения.
Нейрон
Основа мозга – нейрон. Естественно, что моделирование мозга с помощью нейронных сетей начинается с ответа на вопрос, каков принцип его работы.
В основе работы реального нейрона лежат химические процессы. В состоянии покоя между внутренней и внешней средой нейрона существует разность потенциалов – мембранный потенциал, составляющий около 75 милливольт. Он образуется за счет работы особых белковых молекул, работающих как натрий-калиевые насосы. Эти насосы за счет энергии нуклеотида АТФ гонят ионы калия внутрь, а ионы натрия - наружу клетки. Поскольку белок при этом действует как АТФ-аза, то есть фермент, гидролизующий АТФ, то он так и называется - «натрий-калиевая АТФ-аза». В результате нейрон превращается в заряженный конденсатор с отрицательным зарядом внутри и положительным снаружи.
Схема нейрона (Mariana Ruiz Villarreal)
Поверхность нейрона покрыта ветвящимися отростками – дендритами. К дендритам примыкают аксонные окончания других нейронов. Места их соединений называются синапсами. Посредством синаптического взаимодействия нейрон способен реагировать на поступающие сигналы и при определенных обстоятельствах генерировать собственный импульс, называемый спайком.
Передача сигнала в синапсах происходит за счет веществ, называемых нейромедиаторами. Когда нервный импульс по аксону поступает в синапс, он высвобождает из специальных пузырьков молекулы нейромедиатора, характерные для этого синапса. На мембране нейрона, получающего сигнал, есть белковые молекулы – рецепторы. Рецепторы взаимодействуют с нейромедиаторами.
Химический синапс
Рецепторы, расположенные в синаптической щели, являются ионотропными. Это название подчеркивает тот факт, что они же являются ионными каналами, способными перемещать ионы. Нейромедиаторы так воздействуют на рецепторы, что их ионные каналы открываются. Соответственно, мембрана либо деполяризуется, либо гиперполяризуется – в зависимости от того, какие каналы затронуты и, соответственно, какого типа этот синапс. В возбуждающих синапсах открываются каналы, пропускающие катионы внутрь клетки, - мембрана деполяризуется. В тормозных синапсах открываются каналы, проводящие анионы, что приводит к гиперполяризации мембраны.
В определенных обстоятельствах синапсы могут менять свою чувствительность, что называется синаптической пластичностью. Это приводит к тому, что синапсы одного нейрона приобретают различную между собой восприимчивость к внешним сигналам.
Одновременно на синапсы нейрона поступает множество сигналов. Тормозящие синапсы тянут потенциал мембраны в сторону накопления заряда внутри клети. Активирующие синапсы, наоборот, стараются разрядить нейрон (рисунок ниже).
Возбуждение (A) и торможение (B) ганглиозной клетки сетчатки (Николлс Дж., Мартин Р., Валлас Б., Фукс П., 2003)
Когда суммарная активность превышает порог инициации, возникает разряд, называемый потенциалом действия или спайком. Спайк – это резкая деполяризация мембраны нейрона, которая и порождает электрический импульс. Весь процесс генерации импульса длится порядка 1 миллисекунды. При этом ни продолжительность, ни амплитуда импульса не зависят от того, насколько были сильны вызвавшие его причины (рисунок ниже).
Регистрация потенциала действия ганглиозной клетки (Николлс Дж., Мартин Р., Валлас Б., Фукс П., 2003)
После спайка ионные насосы обеспечивают обратный захват нейромедиатора и расчистку синаптической щели. В течение рефрактерного периода, наступающего после спайка, нейрон не способен порождать новые импульсы. Продолжительность этого периода определяет максимальную частоту генерации, на которую способен нейрон.
Спайки, которые возникают как следствие активности на синапсах, называют вызванными. Частота следования вызванных спайков кодирует то, насколько хорошо поступающий сигнал соответствует настройке чувствительности синапсов нейрона. Когда поступающие сигналы приходятся именно на чувствительные синапсы, активирующие нейрон, и этому не мешают сигналы, приходящие на тормозные синапсы, то реакция нейрона максимальна. Образ, который описывается такими сигналами, называют характерным для нейрона стимулом.
Конечно, представление о работе нейронов не стоит излишне упрощать. Информация между некоторыми нейронами может передаваться не только спайками, но и за счет каналов, соединяющих их внутриклеточное содержимое и передающих электрический потенциал напрямую. Такое распространение называется градуальным, а само соединение называется электрическим синапсом. Дендриты в зависимости от расстояния до тела нейрона делятся на проксимальные (близкие) и дистальные (удаленные). Дистальные дендриты могут образовывать секции, работающие как полуавтономные элементы. Помимо синаптических путей возбуждения есть внесинаптические механизмы, вызывающие метаботропные спайки. Кроме вызванной активности существует еще и спонтанная активность. И наконец, нейроны мозга окружены глиальными клетками, которые также оказывают существенное влияние на протекающие процессы.
Долгий путь эволюции создал множество механизмов, которые используются мозгом в своей работе. Некоторые из них могут быть поняты сами по себе, смысл других становится ясен только при рассмотрении достаточно сложных взаимодействий. Поэтому не стоит воспринимать сделанное выше описание нейрона как исчерпывающее. Чтобы перейти к более глубоким моделям, нам необходимо сначала разобраться с «базовыми» свойствами нейронов.
В 1952 году Аланом Ллойдом Ходжкином и Эндрю Хаксли были сделаны описания электрических механизмов, которые определяют генерацию и передачу нервного сигнала в гигантском аксоне кальмара (Hodgkin, 1952). Что было оценено Нобелевской премией в области физиологии и медицины в 1963 году. Модель Ходжкина – Хаксли описывает поведение нейрона системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Эти уравнения соответствуют автоволновому процессу в активной среде. Они учитывают множество компонент, каждая из которых имеет свой биофизический аналог в реальной клетке (рисунок ниже). Ионные насосы соответствуют источнику тока I p . Внутренний липидный слой клеточной мембраны образует конденсатор с емкостью C m . Ионные каналы синаптических рецепторов обеспечивают электрическую проводимость g n , которая зависит от подаваемых сигналов, меняющихся со временем t, и общей величины мембранного потенциала V. Ток утечки мембранных пор создает проводник g L . Движение ионов по ионным каналам происходит под действием электрохимических градиентов, которым соответствуют источники напряжения с электродвижущей силой E n и E L .
Основные компоненты модели Ходжкина - Хаксли
Естественно, что при создании нейронных сетей возникает желание упростить модель нейрона, оставив в ней только самые существенные свойства. Наиболее известная и популярная упрощенная модель – это искусственный нейрон Маккалока - Питтса, разработанный в начале 1940-х годов (Маккалох Дж., Питтс У., 1956).
Формальный нейрон Маккалока - Питтса
На входы такого нейрона подаются сигналы. Эти сигналы взвешенно суммируются. Далее к этой линейной комбинации применяется некая нелинейная функция активации, например, сигмоидальная. Часто как сигмоидальную используют логистическую функцию:
Логистическая функция
В этом случае активность формального нейрона записывается как
В итоге такой нейрон превращается в пороговый сумматор. При достаточно крутой пороговой функции сигнал выхода нейрона – либо 0, либо 1. Взвешенная сумма входного сигнала и весов нейрона – это свертка двух образов: образа входного сигнала и образа, описываемого весами нейрона. Результат свертки тем выше, чем точнее соответствие этих образов. То есть нейрон, по сути, определяет, насколько подаваемый сигнал похож на образ, записанный на его синапсах. Когда значение свертки превышает определенный уровень и пороговая функция переключается в единицу, это можно интерпретировать как решительное заявление нейрона о том, что он узнал предъявляемый образ.
Реальные нейроны действительно неким образом похожи на нейроны Маккалока - Питтса. Амплитуды их спайков не зависит от того, какие сигналы на синапсах их вызвали. Спайк, либо есть, либо его нет. Но реальные нейроны реагируют на стимул не единичным импульсом, а импульсной последовательностью. При этом частота импульсов тем выше, чем точнее узнан характерный для нейрона образ. Это означает, что если мы построим нейронную сеть из таких пороговых сумматоров, то она при статичном входном сигнале хотя и даст какой-то выходной результат, но этот результат будет далек от воспроизведения того, как работают реальные нейроны. Для того чтобы приблизить нейронную сеть к биологическому прототипу, нам понадобится моделировать работу в динамике, учитывая временные параметры и воспроизводя частотные свойства сигналов.
Но можно пойти и другим путем. Например, можно выделить обобщенную характеристику активности нейрона, которая соответствует частоте его импульсов, то есть количеству спайков за определенный промежуток времени. Если перейти к такому описанию, то можно представить нейрон как простой линейный сумматор.
Линейный сумматор
Сигналы выхода и, соответственно, входа для таких нейронов уже не являются дихатомичными (0 или 1), а выражаются некой скалярной величиной. Функция активации тогда записывается как
Линейный сумматор не стоит воспринимать как что-то принципиально иное по сравнению с импульсным нейроном, просто он позволяет при моделировании или описании перейти к более длинным временным интервалам. И хотя импульсное описание более корректно, переход к линейному сумматору во многих случаях оправдан сильным упрощением модели. Более того, некоторые важные свойства, которые трудно разглядеть в импульсном нейроне, вполне очевидны для линейного сумматора.
