ТИПЫ НЕЙРОНОВ. СЕНСОРНЫЕ (ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ), МОТОРНЫЕ (ДВИГАТЕЛЬНЫЕ), ПРОМЕЖУТОЧНЫЕ (ВСТАВОЧНЫЕ) НЕЙРОНЫ

Функции

Ежесекундно через наш головной мозг проходит множество сигналов. Процесс не останавливается даже во сне. Организму нужно воспринимать окружающий мир, совершать движения, обеспечивать работу сердца, дыхательной, пищеварительной, мочеполовой системы и т.д. В организации всей этой деятельности участвуют две основные группы нейронов – чувствительные и двигательные.

Когда мы притрагиваемся к холодному или горячему и чувствуем температуру предмета – это заслуга именно чувствительных клеток. Они мгновенно передают полученную с периферии организма информацию. Так обеспечивается рефлекторная деятельность.

Нейроны формируют всю нашу ЦНС. Главные их задачи:

1. получить информацию;
2. передать ее по нервной системе.

Эти уникальные клетки способны мгновенно передавать электрические импульсы.

Чтобы обеспечить процесс жизнедеятельности, организм должен обрабатывать огромное количество информации, которая поступает к нему из окружающего мира, реагировать на любой признак изменения условий среды. Чтобы сделать этот процесс максимально эффективным, нейроны делятся по своим функциям на:

• Чувствительные (афферентные) – это наши проводники в окружающий мир. Именно они воспринимают информацию извне, от органов чувств, и передают их в ЦНС. Особенность в том, что благодаря их контактной деятельности, мы чувствуем температуру, боль, давление, имеем другие чувства. Чувствительные клетки узкой специализации осуществляют передачу вкуса, запаха.
• Двигательные (моторные, эфферентные, мотонейроны). Двигательные нейроны передают информацию через электрические импульсы от ЦНС к мышечным группам, железам.
• Промежуточные (ассоциативные, интеркалярные, вставочные). Теперь подробнее разберемся, какую функцию выполняют вставочные нейроны, для чего они вообще нужны, в чем их отличие. Они располагаются между чувствительными и двигательными нейронами. Вставочные нейроны передают нервные импульсы от чувствительных волокон к двигательным. Они обеспечивают «общение» между эфферентными и афферентными нервными клетками. К ним нужно относиться, как к своеобразным природным «удлинителям», длинным полостям, которые помогают транслировать сигнал от сенсорного нейрона к двигательному. Без их участия это было бы невозможно сделать. В этом и заключается их функция.

Сами рецепторы – это специально отведенные для данной функции клетки кожи, мышц, внутренних органов, суставов. Рецепторы могут начинаться еще в клетках эпидермиса, слизистой. Они умеют точно улавливать мельчайшие изменения, как снаружи организма, так и внутри него. Такие изменения могут быть физическими или химическими. Затем они молниеносно преображаются в специальные биоэлектрические импульсы и отправляются непосредственно к сенсорным нейронам. Так сигнал проходит путь от периферии к центру организма, где мозг расшифровывает его значение.

Импульсы от органа в мозг проводят все три группы нейронов – двигательные, чувствительные и промежуточные. Из этих групп клеток и состоит нервная система человека. Такое строение позволяет реагировать на сигналы из окружающего мира. Они обеспечивают рефлекторную деятельность организма.

Если человек перестает чувствовать вкус, запах, снижается слух, зрение, это может указывать на нарушения в ЦНС. В зависимости от того, какие органы чувств задеты, невропатолог может определить, в каком отделе мозга возникли проблемы.

Есть две группы функций нервной системы:

1) Соматическая. Это сознательное управление мышцами скелета.

2) Вегетативная (автономная). Это неконтролируемое сознанием управление внутренними органами. Работа этой системы происходит, даже если человек находится в состоянии сна.

Виды и характеристики нейронов

Нервные клетки, именуемые нейронами, принимают, отправляют и проводят биоэлектрические сигналы. Различают эфферентные (двигательные) нейроны – это компоненты ЦНС, которые перенаправляют сигналы исполнительным органам, к примеру, скелетным мышцам. Афферентные (чувствительные) нейроны – это такие клетки, которые воспринимают внешние и внутренние стимулы, что обеспечивает связь организма с внешней средой и реакции на изменение функциональной активности внутренних органов.

Вставочные клетки обеспечивают взаимосвязи в рамках общей нейрональной сети. Нейроны всех типов (чувствительные, эфферентные, ассоциативные) являются функциональными единицами, поддерживающими деятельность нервной системы, они находятся во всех тканях организма, где играют роль связующих звеньев между рецепторными (воспринимающими раздражающие стимулы) и эффекторными органами, которые отвечают на раздражающие стимулы.

К эффекторным органам относят мышцы и железы, к рецепторным – органы чувств. Значение проводимых сигналов существенно различается в зависимости от вида клетки и ее роли в функционировании ЦНС. К примеру, чувствительные, воспринимающие импульсы внешней среды, передают сигналы от кожных рецепторов и органов чувств в направлении головного мозга, двигательные нейроны перенаправляют команды, сформированные в мозге, вызывающие сокращение скелетных мышц и инициирующие движение.

Несмотря на разное значение биоэлектрических импульсов, их природа одинакова и заключается в изменении показателей электрического потенциала в области плазматической мембраны нервной клетки. Механизм распространения нервных импульсов основан на способности электрического возмущения, появившегося в одном месте клетки, передаваться на другие участки. При отсутствии факторов, усиливающих сигнал, импульсы затухают по мере удаления от источника возбуждения.

Сенсорный, известный так же как чувствительный – это афферентный нейрон, который проводит импульсы от дистальных участков организма к центральным отделам ЦНС. К примеру, сенсорные образуют волокна, отходящие от светочувствительных клеток органов зрения. Сигналы отходят от сетчатки глаза, направляясь по миллионам аксонов, принадлежащих структурам базальных ганглий, в направлении участка зрительной коры.

Чувствительный нейрон в совокупности с исполнительными (двигательными) нейронами образует простую рефлекторную дугу.

К примеру, коленный рефлекс – безусловная рефлекторная реакция растяжения, возникает в результате активности подобной рефлекторной дуги. Реакция в виде неконтролируемого разгибания голени происходит при механическом воздействии на сухожилие мышцы бедра, пролегающее под надколенником. Механизм реакции:

1. Механическое воздействие на нервно-мышечные веретена, пролегающие в мышце-разгибателе бедра.
2. Повышение интенсивности нервных сигналов в окончаниях, оплетающих нервно-мышечные веретена, вследствие их растяжения.
3. Передача импульсов чувствительным нейронам, находящимся в спинальных ганглиях, посредством дендритов, отходящих от бедренного нерва.
4. Передача импульсов от чувствительных клеток альфа-мотонейронам, пролегающим в передних рогах в границах спинного мозга.
5. Передача сигнала от альфа-мотонейронов способным к сокращению мышечным волокнам бедренной мышцы.

В механизме коленного рефлекса принимают участие интернейроны, которые передают тормозящие импульсы мотонейронам мышц-сгибателей, и другие вставочные нейроны, к примеру, клетки Реншоу. В механизме коленного рефлекса также задействованы гамма-мотонейроны, которые регулируют интенсивность растяжения веретен.

В спинном мозге, образованном серым веществом, расположены нейроны трех типов – моторные, вставочные, вегетативные. Причем вегетативные находятся в висцеральных (относящихся к внутренним органам) ядрах. Эти клетки взаимодействуют с афферентными (восходящие проводящие пути, которые передают импульсы от периферических рецепторов в центральные зоны ЦНС) волокнами, отвечающими за общую висцеральную чувствительность.

Висцеральные афференты проводят нервные сигналы (чаще болезненные или рефлекторные ощущения) от внутренних органов, элементов кровеносной системы, желез к соответствующим зонам ЦНС. Висцеральные афференты находятся в составе вегетативного отдела нервной системы. Рефлекторные дуги в рамках вегетативного отдела ЦНС отличаются строением от дуг соматического отдела.

Эфферентные компоненты (нисходящие проводящие пути, которые передают импульсы от корковых и подкорковых зон головного мозга к периферическим участкам) образованы нейронами двух видов – вставочными и эффекторными (двигательными). Вставочные находятся в ядрах, принадлежащих вегетативному отделу ЦНС. Название «вставочный» обусловлено расположением между чувствительным и двигательным нейроном.

Чувствительные

Чувствительный нейрон – это такой компонент нервной системы, который передает в мозг информацию о раздражителях, воздействующих на определенный участок тела. Примером раздражителей могут служить факторы: солнечный свет, механическое воздействие (удар, касание), действие химического вещества. Чувствительные нейроны расположены в ганглиях мозга – спинного и головного.

Связь, образованная с чувствительным нейроном, может провоцировать возбуждение или торможение, которое направляется по нервным волокнам к корковым отделам мозга. По мере возрастания уровня сенсорных путей, передаваемая информация перерабатывается с идентификацией важных признаков. Чувствительные относятся к псевдоуниполярным нейронам – их аксон и дендриты отходят от тела вместе, впоследствии разделяются и находятся в спинном, головном мозге (аксон) и в периферических отделах тела (дендриты).

Вставочные

Вставочные нейроны передают преобразованные нервные импульсы, полученные в результате обработки сенсорной информации, поступившей из разных источников, к примеру, от органов зрения и кожных рецепторов. В результате переработанная информация становится исходными данными для формирования адекватных двигательных команд.

Двигательные

Двигательные нервные клетки бывают двух видов – крупные и мелкие. В первом случае речь идет об α-мотонейронах, во втором – о γ-мотонейронах. Альфа-мотонейроны присутствуют в базальных ядрах латеральной (ближе к боковой плоскости) и медиальной (ближе к срединной плоскости) локализации. Это самые крупные клетки, присутствующие нервной ткани.

Их аксоны взаимодействуют с поперечнополосатыми волокнами, содержащимися в составе скелетных мышц. В результате образуются синапсы (места передачи нервных сигналов). Аксоны альфа-мотонейронов взаимосвязаны со вставочными аналогами, известными так же как клетки Реншоу, что приводит к формированию коллатеральных путей и тормозных синапсов в спинном мозге.

Гамма-мотонейроны находятся в составе нервно-мышечного веретена, которое представляет собой сложный рецептор, состоящий из нервных окончаний (афферентных, эфферентных). Главная функция нервно-мышечных веретен заключается в регуляции силы и скорости сокращения или растяжения мускулатуры скелета.

Структура

Сенсорные нейроны чаще всего униполярные. Это означает, что они снабжены лишь одним раздваивающимся отростком. Он выходит из тела клетки (сомы) и выполняет сразу функции и аксона, и дендрита. Аксон – это вход, а дендрит чувствительного нейрона – выход. После возбуждения чувствительных сенсорных клеток по аксону и дендриту проходит биоэлектрический сигнал.

Встречаются и биполярные нервные клетки, которые имеют соответственно два отростка. Их можно обнаружить, например, в сетчатке, структурах внутреннего уха.

Тело чувствительной клетки по своей форме напоминает веретено. От тела отходит 1, а чаще 2 отростка (центральный и периферический).

Периферический по своей форме очень напоминает толстую длинную палочку. Он достигает поверхности слизистой или кожи. Такой отросток похож на дендрит нервных клеток.

Второй, противоположный отросток, отходит от противоположной части тела клетки и по форме напоминает тонкую нить, покрытую вздутиями (их называют варикозности). Это аналог нервного отростка нейрона. Данный отросток направлен в определенный отдел ЦНС и так разветвляется.

Чувствительные клетки еще называют периферическими. Их особенность в том, что они непосредственно находятся за периферической нервной системой и ЦНС, но без них работа данных систем немыслима. Например, обонятельные клетки размещены в эпителии слизистой носа.

Строение и функции

Вставочная клетка состоит из тела, от которого отходят единичный аксон и дендриты. Дендриты вставочных клеток чаще короткие. Их аксоны вариативно переходят в границах спинного мозга из задних рогов в передние (замыкают дугу на уровне отрезка спинного мозга) или распространяются в область других уровней мозговых структур – спинных, головных.

Одна из функций вставочных нейронов – торможение интенсивности некоторых сигналов. К примеру, интернейроны неокортекса (новой коры, отвечающей за высшие психические функции – сенсорное восприятие, осознанное мышление, произвольную двигательную активность, речь) избирательно понижают интенсивность части сигналов, поступающих из таламуса, чтобы предотвратить необходимость отвлекаться на посторонние, малозначащие стимулы. Если импульсация, спровоцированная внешним стимулом, недостаточно сильна, она может затухнуть, не доходя до коркового слоя головного мозга.

Область влияния вставочных клеток ограничена индивидуальными особенностями строения – длина отростков-аксонов, количество коллатеральных ответвлений. Обычно вставочные оснащены аксонами с терминалями (концевой участок, представленный синаптическим окончанием – местом контакта с другими клетками), заканчивающимися в пределах одного центра, что обуславливает интеграцию в рамках группы.

Вставочные нейроны замыкают рефлекторные дуги, они воспринимают возбуждение от афферентных нервных структур, перерабатывают данные и передают их двигательным нейронам. Ассоциативные клетки играют ведущую роль в формировании нейрональных сетей, где продлевается срок хранения поступающей и переработанной информации.

Как они работают

Функция чувствительного нейрона состоит в приеме сигнала от специальных рецепторов, расположенных на периферии организма, определении его характеристик. Импульсы воспринимаются периферическими отростками чувствительных нейронов, затем они передаются к их телу, а потом по центральным отросткам следуют непосредственно к ЦНС.

Дендриты сенсорных нейронов соединяются с различными рецепторами, а их аксоны – с остальными нейронами (вставочными). Для нервного импульса самым простым путем становится следующий – он должен пройти по трем нейронам: сенсорному, вставочному, моторному.

Самый типичный пример прохождения импульса – когда невропатолог стучит молоточком по коленному суставу. При этом моментально срабатывает простой рефлекс: коленное сухожилие после удара по нему приводит в движение мышцу, которая к нему прикреплена; чувствительные клетки от мышцы передают сигнал по чувствительным нейронам непосредственно в спинной мозг. Там сенсорные нейроны устанавливают контакт с двигательными, а те посылают импульсы обратно в мышцу, приводя ее в сокращение, нога при этом выпрямляется.

Кстати, в спинном мозге у каждого отдела (шейный, грудной, поясничный, крестцовый, копчиковый) находится сразу пара корешков: чувствительный задний, двигательный передний. Они образовывают единый ствол. Каждая из этих пар контролирует свою определенную часть тела и посылает центробежный сигнал, что делать дальше, как располагать конечность, туловище, что делать железе и т.д.

Чувствительные нейроны принимают участие в работе рефлекторной дуги. Она состоит из 5 элементов:

1. Рецептор. Преобразует в нервный импульс раздражение.
2. Импульс по нейрону следует от рецептора в ЦНС.
3. Вставочный нейрон, который расположен в мозге, передает сигнал от нейрона чувствительного к исполнительному.
4. По двигательному (исполнительному) нейрону основной импульс от мозга проводится к органу.
5. Орган (исполнительный) – это мышца, железа и т.д. Он реагирует на полученный сигнал сокращением, выделением секрета и т.д.

ВВЕДЕНИЕ В КОГНИТИВНЫЕ НЕЙРОНАУКИ. Глава 3. Нейроны и связи между ними.

ВВЕДЕНИЕ В КОГНИТИВНЫЕ НЕЙРОНАУКИ. Из учебника МОЗГ. ПОЗНАНИЕ. РАЗУМ. Электронная книга https://t.me/kudaidem/1879

Глава 3. Нейроны и связи между ними.

Что мы знаем о процессах, происходящих на уровне нейронов? Можем ли мы сейчас построить непротиворечивую теорию относительно событий на этом уровне?

Основными клетками мозга являются нейроны, высококонсервативные с эволюционной точки зрения. Они сохранялись в относительно неизменном виде в течение многих сотен миллионов лет, и даже очень разные виды животных имеют одинаковые типы нейронов. Со многих точек зрения нейроны не отличаются от остальных клеток, но есть то, что выделяет их среди остальных: специализация на электрохимической сигнализации, благодаря которой они способны принимать входящий сигнал на дендритах и посылать электрохимический сигнал вдоль аксона. Весь мозг можно рассматривать как сверхсложную структуру, состоящую из связанных между собой нейронов.

(рис. 3.1).

Дендритами и аксонами называют выросты тела нейрона; один нейрон может иметь до десяти тысяч дендритов и один аксон.

(рис. 3.2 и 3.3).

Потенциал действия (ПД) проходит по аксону значительно медленнее, чем электрический ток в компьютере, однако многие задачи наш мозг выполняет гораздо лучше современных компьютеров. В настоящее время компьютеры далеко отстоят от человека в задачах восприятия, языковой коммуникации, семантической памяти, контроля движения и творчества.

Нейробиология концентрирует внимание на связи и взаимодействии нейронов. Рассмотрение таких связей удобно начинать как раз с генерализованного нейрона.

Классические нейроны соединяются при помощи синапсов, которые могут быть возбуждающими и тормозящими.

(рис. 3.6)

Активность нейрона опосредована десятками факторов — циклом сна и бодрствования, доступностью предшественников нейромедиаторов и многими другими. Все эти факторы влияют на вероятность прохождения сигнала между двумя нейронами и могут быть представлены в виде синаптических весов. Таким образом, все разнообразие нейронов можно с успехом представить в виде интегративного нейрона, а все способы межнейронной коммуникации — в форме вероятности прохождения сигнала между нейронами.

Существует по меньшей мере шесть основных нейромедиаторов и не менее тридцати «менее важных», в основном являющихся нейропептидами.

Даже дендриты отдельной клетки, по всей видимости, способны к обработке информации. Имеются также данные, что способна принимать участие в обработке информации и нейроглия — поддерживающая ткань нервной системы.

На настоящий момент известно о существовании в некоторых частях взрослого головного мозга стволовых клеток. Образование новых синапсов идет в течение всей жизни; для образования новых синапсов отростки дендритов способны образовываться за несколько минут.

(рис. 3.7).

1.3. Обработка информации нейронами.

Искусственные нейронные сети использовались для моделирования многих функций мозга — распознавания элементов изображений, управления роботами, обучения и улучшения функционирования на основе опыта.

Во многих случаях такие сети выполняли задачи лучше, чем компьютерные программы, основанные на логике и математике.

Так же, они помогают нам понять принципы работы реальных нейронных сетей в мозге.

Нейросети помогают нам понять работу нервной системы.

Так искусственные нейросети могут служить моделями для изучения реальных структур в мозге.

Мы ограничимся рассмотрением синапсов только двух типов — возбуждающего (повышающего вероятность прохождения ПД (Потенциал действия) на постсинаптическом нейроне) и тормозящего (понижающего такую вероятность).

Глутамат — наиболее распространенный медиатор в ЦНС — является возбуждающим.

ГАМК (гаммаАминоМасляная кислота) является наиболее распространенным тормозным медиатором.

В нервной системе распространены массивы нейронов, часто именуемые картами.

2.1. Упрощенный случай: рецепторы, пути и контуры.

Каждый сенсорный нерв может содержать несколько параллельных каналов, каждый из которых проводит несколько различающуюся информацию. Так, зрительный тракт имеет канал передачи цвета, называемый мелкоклеточным, и канал передачи формы и размеров объекта, называемый крупноклеточным.

Точно так же соматосенсорные пути сочетают каналы передачи прикосновения, давления, боли и некоторые другие.

Большинство сенсорных волокон оканчиваются в таламусе, где они передают сигнал нейронам, оканчивающимся в коре.

(рис. 3.10 и 3.11)

Таким образом, в большинстве сигнальных путей существуют петли обратной связи — такие, как в нейросети с двумя или более слоями.

С этой точки зрения мозг представляется системой воздействующих друг на друга массивов и сетей.

Массивы нейронов представляет собой двумерную сеть нейронов.

Когда массивы соответствуют пространственной организации той или иной структуры, их называют картами.

В мозге имеет место как временное, так и пространственное кодирование, наряду со многими другими способами кодирования и обработки информации.

Пространственные карты являются наиболее наглядной формой пространственного кодирования.

(рис. 3.15 и 3.16).

Такая соматосенсорная информация, как информация о прикосновении и боли, также обрабатывается кортикальными картами. Другие чувства, такие как слух, вкус и обоняние, гораздо меньше ассоциированы с положением рецепторов, однако в слуховой коре имеется картоподобный клиновидный регион.

Таким образом, даже информация от не ассоциированных с пространством органов чувств обрабатывается массивами и картами нейронов.

Наш мозг организует огромные количества входящей информации так, чтобы отражать положение окружающих объектов. Моторная кора, как вы можете догадаться, также выглядит как непропорциональная карта скелетных мышц тела.

Главным вопросом относительно сенсорики на сегодняшний день яляется вопрос о том, как осуществляется высокоуровневая обработка воспринятой информации. И модель нейросетей предоставляет один из возможных ответов.

Мозг постоянно корректирует работу моторных систем на основании сенсорной информации и адаптирует сенсорные системы при помощи моторной активности.

Сенсорные системы можно представить в виде иерархических систем, состоящих из иерархических систем низшего порядка, начиная с рецепторов и постепенно переходя ко все более сложным объектам.

Моторные системы могут быть представлены в виде иерархической структуры противоположного направления, заканчивающиеся на мотонейронах.

Идет непрерывный обмен информацией между двумя системами в процессе цикла от восприятия до действия, начиная с наинизшего и заканчивая высшими уровнями планирования, мышления и анализа возможного развития событий

(рис. 3.20 Иерархическая система из области архитектуры).

В схеме иерархической системы обработки информации, каждый массив нейронов назван картой; карты существуют на разных уровнях, и сигнал может идти вверх, вниз и к другой карте того же уровня.

При рассмотрении электрической активности десятков миллиардов нейронов мозг поневоле начинает казаться огромным оркестром, а не одним инструментом. За сотни миллионов лет эволюции в мозге появились нейроны с самыми разными видами временного и пространственного кодирования (блок 3.1).

В путях следования информации имеется множество точек выбора, с которых она может быть направлена по нескольким различным путям или быть передана на уровень выше или ниже.

Если вернуться к ступенчатой пирамиде, то такой разветвленный путь похож на путь человека к вершине: он может достигнуть ее прямым или окружным путем.

Зрительная картина мира подвержена постоянным изменениям. Однако мозг тем не менее ведет обработку таких изменений. Животное не может позволить себе не заметить хищника, прячущегося в траве, только потому, что сейчас закат, или потому, что на него падает тень.

Для того чтобы выжить, мы должны были иметь превосходную зрительную систему.

Вот, например, кошка, выслеживающая жертву, может осматривать дерево только одним глазом, тогда как другой глаз остается пассивным. Это приводит к явлению бинокулярной конкуренции — конкуренции между зрительными входами от разных глаз.

Многие животные получают от разных глаз совершенно разные входы — такие животные, как кролики и олени, вообще не имеют участков перекрытия полей зрения, поэтому для них явление бинокулярной конкуренции невозможно.

Мозг постоянно имеет некоторые ожидания относительно встречаемых им внешних условий. Спускаясь по лестнице в темноте, мы ожидаем, что под ногой будет ступенька.

При анализе неоднозначно трактуемых объектов ожидание обусловливает выбор наиболее приемлемого варианта трактовки. Многие слова в языке имеют больше одного значения, поэтому, даже читая это, вы вынуждены иметь дело с неоднозначностями. Мозг опирается не только на входящую информацию — он имеет множество причин выбора того или иного варианта, основанных на предсказании результата и ожидании.

Селективное внимание позволяет нам динамически изменять свои сенсорные предпочтения, а долговременная память увеличивает силу синапсов, ответственных за точное восприятие.

Многие ученые считают, что всю кору целиком, наряду с сопутствующими областями, такими как таламус, следует рассматривать как одну функциональную единицу. Ее часто называют таламокортикальной системой.

(Пластичный мозг).

Одним из основных свойств поведения животных является способность адаптироваться.

Основным свойством мозга, таким образом, является приспособляемость. Однако какие изменения в структуре самого мозга приводят к такой приспособляемости?

Для этих целей гораздо лучше подходят методы визуализации структур мозга, получившие интенсивное развитие в два прошедших десятилетия.

Хотя большая часть методов визуализации ориентирована на конкретную область, подчеркивая тем самым функциональное разделение, а не интеграцию, были предприняты попытки изучения обучения как системного процесса, включающего глобальные изменения структуры и функций мозга.

Развитие технологии магнитно-резонансной томографии позволило начать изучение изменений структурных компонентов связи — трактов белого вещества — под влиянием обучения.

Как было показано, обучение жонглированию вызывает изменения как в сером, так и в белом веществе мозга.

Данные результаты стали поистине революционными, поскольку долгие годы считалось, что структура мозга неизменна.

Подобные открытия, позволяющие рассматривать мозг как функционально и структурно лабильный орган, вне всякого сомнения являются шагом вперед в нашем понимании процесса обучения.

(4.0. Адаптация и обучение массивов нейронов).

Наиболее известное правило обучения нейросетей, выражаемое в лозунге «neurons that fire together, wire together».

Нейроны, которые срабатывают вместе, соединяются вместе.

(Обучение по Хэббу).

Дональд Хэбб в 1949 г. постулировал, что ассамблеи нейронов способны обучаться благодаря усилению связей между нейронами, активирующимися при стимуляции одновременно.

В основе обучения и памяти лежит эффективность синаптической связи.

Существует множество способов воздействия на эффективность синаптической передачи. Так, два нейрона могут образовать больше синапсов, в самих синапсах может вырабатываться больше нейромедиатора, рецепторы постсинаптического нейрона могут стать эффективнее.

В обучении задействовано два типа изменений; их можно рассматривать как усиленное возбуждение и усиленное торможение.

Долговременное усиление возбудимости одного нейрона называют долговременой потенциацией.

Долговременное понижение же — долговременной депрессией. Оба события имеют место в гиппокампе.

Визуально обучение по Хэббу можно представить в виде утолщения линий между узлами сети, как в простой совокупности клеток.

Модели с третьим, скрытым слоем позволяют нейросети изменять силу соединений.

Классическая трехслойная прямая сеть со скрытым слоем и настраиваемой силой взаимодействий может эффективно обучаться путем сопоставления выхода нейросети с желаемым выходом и подстройки силы соединений для достижения желаемого результата.

Процесс носит название обратного распространения ошибки обучения и во многом подобен отрицательной обратной связи.

Сети такого типа на сегодняшний день наиболее распространены.

В самоорганизующейся аутоассоциативной сети выход ставится в соответствие входу.

Такая стратегия полезна при распознавании паттернов, таких как звук знакомого голоса.

Самоорганизующиеся системы используются в природе для решения многих задач.

Сами организмы и их нервные системы можно рассматривать как самоорганизующиеся системы.

Самоорганизующаяся сеть способна справляться с фундаментальой проблемой распознавания человеческих лиц.

Человек учится реагировать на нормальные, недеформированные лица в очень ранний период жизни и вскоре становится способен отличать знакомые лица от незнакомых.

Задача, решаемая сетью, гораздо проще решаемой человеком, поскольку в модели происходит только формирование цепи.

Сеть способна обучаться предугадывать расположение рта в нижней части рисунка и двух глаз — в верхней.

4.2. Дарвинистский подход в нервной системе: выживают клетки и синапсы, наиболее приспособленные к данной задаче.

Нейральный дарвинизм предполагает, что нейроны развиваются и соединяются друг с другом в соответствии с дарвинистскими принципами.

Селекционизм — эффективный способ адаптации.

Отбор нейронов приводит к образованию долгоживущих нейронных совокупностей, выполняющих задачи адаптации, обучения, разпознавания паттернов и им подобные.

Нейросети отличаются высоким уровнем параллельности (что означает способность производить много разных вычислений одновременно) и распределенности (способности обрабатывать информацию в разных местах с использованием разных механизмов).

Это говорит о большей близости нейросетей к биологическим способам обработки информации.

Нейронные сети довольно просто перевести на язык математических выражений.

Нейросети способны обрабатывать символьную информацию, а символы могут быть переведены в нейросети.

Обучение нейросети проявляются по мере распознавания сетью входа и отсечения ею альтернативных вариантов.

Существует масса способов координации работы нейронов. Одним из них являются масштабные ритмы, координирующие работу больших групп нейронов так же, как дирижер координирует игру симфонического оркестра. Если большая масса нейронов активируется одновременно, то их активность, как правило, суммируется.

Современные данные говорят в пользу гораздо более быстрых гамма- и тета-корреляций на тех частотах, на которых мозг выполняет большую часть этой работы.

Ритмы энцефалограммы на сегодняшний день считаются сигнализирующими о разных, но скоординированных процессах.

К примеру, гамма-ритмы высокой плотности считаются ассоциированными с осознанным зрительным восприятием и процессом решения простой проблемы эквивалентности.

Альфа-ритмы традиционно ассоциируются с отсутствием задач, требующих фокусировки внимания, тогда как тета-ритмы, как полагают на настоящий момент, контролируют гиппокампальную область и фронтальную кору в процессе обращения к долговременной памяти. Дельта-ритмы — сигналы глубокого сна — группируют быструю нейрональную активность с целью консолидации полученных данных.

При проектировании самолета инженеры закладывают в его конструкцию некоторую функциональную избыточность на случай выхода из строя важнейших систем. Так, если откажет один двигатель, то большая часть самолетов будет способна дотянуть до взлетно-посадочной полосы на оставшихся.

Человек и животные также обладают определенной функциональной избыточностью.

Мозга это правило тоже касается. Мозг способен работать даже после получения весьма значительных повреждений.

6.0. Заключение.

Латеральное торможение является распространенной стратегией для выделения различий между двумя однородными областями сигнала, такими как темные пятна на светлом фоне.

Клетки сенсорных систем имеют так называемые рецептивные поля, настроенные на определенные параметры входа, такие как ориентация линии, цвет, движение, форма и тип объекта. При повышении уровня визуальных карт их разрешение падает, в то время как способность к интеграции информации растет.

Поскольку сенсорные и моторные системы изучают отдельно друг от друга, мозг представляется нам огромным сенсомоторным органом, делающим возможным непрерывные высокоуровневые взаимодействия между входом и выходом.

Пространственные массивы нейронов делают возможным пространственное кодирование, однако не стоит забывать о том, что в нервной системе имеется еще и кодирование временное. Основные ритмы энцефалограммы, как полагают, отвечают за временную координацию активности больших групп нейронов.

Последние исследования позволяют предположить, что гамма-ритм ответственен за интеграцию сенсорной информации осознанные ощущения, а тета-ритм — за извлечение информации из долговременной памяти.

Контрольные задания к этой главе.

1. Опишите основные функции интегративного нейрона.

2. Что такое латеральное торможение и какую роль оно играет в сенсорных системах?

3. Каким образом сенсорные и моторные системы можно рассматривать в форме иерархических структур?

4. Опишите роль двусторонних взаимодействий в функционировании мозга.

5. Что такое дарвинистский подход к нервной системе и какие аспекты процессов, происходящих в мозге, он затрагивает?

6. Назовите три наиболее общих свойства сенсорных систем.

Вывод

Биология человеческого организма очень продумана и совершенна. Благодаря деятельности множества чувствительных нейронов мы можем взаимодействовать с этим удивительным миром, реагировать на него. Наш организм очень восприимчивый, развитие его рецепторов и чувствительных нервных клеток достигло высочайшего уровня. Благодаря такой продуманной организации ЦНС наши органы чувств могут воспринимать и передавать мельчайшие оттенки вкуса, запаха, тактильных ощущений, звука, цвета.

Нередко мы считаем, что главное в нашем сознании и деятельности организма – это кора и полушария мозга. При этом мы забываем, какие колоссальные возможности обеспечивает мозг спинной. Именно функционирование спинного мозга обеспечивает получение сигналов от всех рецепторов.

Трудно назвать предел этих возможностей. Наш организм очень пластичен. Чем больше человек развивается, тем больше возможностей предоставляется в его распоряжение. Такой простой принцип позволяет нам быстро приспособиться к изменениям окружающего мира.