Блог МКЦ

Нейрон – основной элемент биологических систем управления или краткая история нервных систем

Рейтинг: 5 / 5

Звезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активнаЗвезда активна
 

Каждый человек обладает органом управления своей жизнью, эффективности которого позавидовали бы ЦРУ и КГБ. Этот орган – человеческий мозг. Мы создаем цикл статей, где рассматривается описание принципов построения самого совершенного в мире УПРАВЛЕНЧЕСКОГО АППАРАТА . Но сначала немного истории, истории развития нервных систем...

Управление живыми организмами происходит посредством специализированных клеток-управленцев и происходит это когда необходимо обеспечить согласованное изменение состояния нескольких клеток либо организма, органа целиком. Объединение таких клеток в организме называют нервной системой. Принято выделять 4 типа нервных систем:

1-е поколение нервной системы

NS_1.jpg - 20.69 kB

тип нервной системы: рецептор – эффектор

Самая простая нервная система кишечнополостных, к напримеру, гидры. В ней задействованы два типа нервных клеток. Одни из них - рецепторы – расположены в наружном клеточном слое (эктодерме). Другие - эффекторы - находятся в глубине организма, связаны друг с другом и с клетками, обеспечивающими ответную реакцию. Раздражение любого участка поверхности тела гидры приводит к возбуждению глубже лежащих клеток, в результате чего живой многоклеточный организм проявляет двигательную активность, захватывает пищу или уходит от противника.

2-е поколение нервной системы

NS_2.jpg - 20.69 kB

тип нервной системы: рецептор – узел – эффектор

Характерным признаком представителей этого типа нервной системы является наличие сегментов, а ярким представителями являются кольчатые черви. Узлы расположены вдоль пищеварительной трубки и соединяются поперечными и продольными нервными стволами. От этих узлов отходят нервы, разветвления которых заканчиваются также в пределах данного сегмента. Такое сегментарное строение нервной системы позволяет при раздражении определенных участков поверхности тела животного не вовлекать в ответную реакцию все нервные клетки тела, а использовать только клетки данного сегмента. Кроме того, появляется возможность ползать – то есть обеспечивать скоординированное поведение всех сегметов.

3-е поколение нервной системы

 NS_3.jpg - 20.69 kB

ТИП НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ: РЕЦЕПТОР – УЗЕЛ – ПАМЯТЬ – УЗЕЛ - ЭФФЕКТОР
На третьем этапе узлы нервной системы сливаются в один непрерывный тяж – нервную трубку – и формируют спинной и головной мозг. Строение нервной системы обеспечивается в виде нервной трубки, но отростки нейронов, входящих в состав конкретного нервного сегмента, разветвляются, как правило, в определенном, соответствующем данному сегменту участке тела и его мускулатуре. Появление в передней части тела органов чувств вызывает соответствующее развитие нервных центров, которые постепенно формируют головной мозг. В силу необходимости обеспечивать согласованную реакцию всего организма на события, зафиксированные органами чувств, нервные центры спинного мозга попадают в подчинение нервным центрам головного мозга.
Дальнейшее развитие нервной системы происходит по той же самой схеме: в головном мозге развиваются все новые нервные центры, лежащие все ближе к органам чувств (чтобы обеспечить максимально быструю реакцию), и подчиняют своему влиянию ранее существовавшие центры. В конечном счете эти процессы приводят к появлению коры головного мозга, интегрирующей как текущие, так и прошлые показания органов чувств, что создает предпосылки для запоминания типовых ситуаций и формирования условных рефлексов. Появляется память, и каждый отдельный организм на этом этапе становится уникальным.

4-е поколение нервной системы

NS_4_1.jpg - 20.69 kB

ТИП НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ: РЕЦЕПТОР – УЗЕЛ – ПАМЯТЬ – СОЗНАНИЕ (РАЗУМ) – ПАМЯТЬ – УЗЕЛ – ЭФФЕКТОР
Нервная система четвертого поколения отличается от предыдущего уже не анатомией, а особенностями функционирования. Она обладает способностью к изменению своей структуры под воздействием особых внешних воздействий – воздействий других разумных существ. На четвертом этапе развития нервной системы появляется человек. В результате у наделенных такой нервной системой людей появляется уникальная способность осуществлять разное поведение в одних и тех же условиях. У них появляется сознание (разум), позволяющее выбирать между разными условными рефлексами. Сознание можно сравнить с возможность пользоваться не только своей, но и чужой памятью. СО-знание не дается анатомически, от природы; оно должно быть сформировано уже при жизни организма, причем сформировано во взаимодействии с другим, ранее существовавшим знанием (памятью). На этом уровне Разум (Со-знание) это как способность нервной системы менять свою структуру. Сама по себе такая способность еще не делает нервную систему разумной – но без нее разум невозможен в принципе. А вот чтобы понять, что же такое сам Разум, нужно рассмотреть нервную систему несколько подробнее.

Нейрон – основной элемент биологических систем управления

В человеческом мозге насчитывается примерно триллион нейронов. Если посмотреть со стороны ИТ систем и считать, что один нейрон равно байт, то можно все нейроны человека записать на 1000Gb диск. НО! возможности человеческого мозга несколько превышают возможности компьютера со 1000-гигабайтным жестким диском. Связано это с тем обстоятельством, что нейрон – это далеко не один байт.

neiron.jpg - 20.69 kB

Биологически нейрон представляет собой обычную (точнее, не совсем обычную) клетку, специализированную на передаче управляющих импульсов (не только электрических). В составе типичного нейрона обычно выделяют:
  • дендриты – многочисленные короткие отростки, через которые в нейрон поступает входная информация,
  • аксон – как правило, один длинный отросток (от 0,1мм до 1 метра), через который нейрон выдает выходную информацию;
  • синапсы, или синаптические окончания – участки «стыковки» дендритов и аксонов, непосредственно обеспечивающие передачу нервных сигналов от клетки к клетке. Передача сигналов в нервной системе осуществляется совсем не так, как в микропроцессоре.

Нейрон порождает электрические импульсы, которые проходят по аксону и возбужают его синапсы. Параметры таких импульсов едины для всех типов нейронов – длительность единичного «тика» 1мс, амплитуда 100мВ, минимальная пауза между импульсами порядка 4мс (можно сказать, что наша биологическая нейросеть работает на частоте в 200Гц). Получив импульс, синапсы аксона начинают выделять в окружающую среду специальные молекулы – нейротрансмиттеры. Попадая на синапсы дендритов, эти нейротрансмиттеры (всего их около 30 разновидностей) могут оказывать на них как возбуждающее, так и тормозящее действие. Таким образом, одиночный импульс, прошедший по аксону, может нести в себе гораздо больше информации, чем привычное для программиста «машинное слово». Кроме того, «понимание» этого импульса дендритами зависит еще и от общего состояния головного мозга – когда в нем циркулирует алкоголь, взаимодействие нейронов приобретает довольно причудливые формы.

Жизненная цель нейрона. Мозг человека, составляя 2% от массы тела, потребляет 20% вдыхаемого кислорода. На питание мозга постоянно расходуется 20Вт мощности – вне зависимости от того, спит человек или бодрствует (есть данные, что во сне энергопотребление мозга даже повышается). Фактически, мозг – это самый прожорливый орган нашего тела, для чего мозгу столько энергии? Для питания нейронов, так как нейрон - клетка, которая должна получать из окружающих ее кровеносных сосудов питательные вещества, выращивать вовне дендриты и аксоны, регулировать свою внутреннюю среду...
Что должен делать нейрон, чтобы жить и развиваться? Да очень просто – выполнять свою функцию! Возбужденный нейрон за счёт химических реакций оказывает воздействие на мембрану клетки, заставляет расширяться окружающие его кровеносные сосуды – и тем самым получает больший поток потребных ресурсов. Активный, то есть принимающий и проводящий импульсы нейрон получает «лучшее» питание. А это - возможность строить новые дендриты и находить новые аксоны, то есть и дальше усиливать свою активность.

Таким образом, нейрону не все равно, в каком состоянии он находится. Состояние с высокой активностью поощряется, а состояние с низкой активностью наказывается. Вот в чем отличие живого нейрона от его механического аналога – бюрократа, который одной рукой принимает бумаги, а другой – передает их дальше по начальству. Но у биологического нейрона имеется и вторая особенность, в корне отличающая его от «винтика» формальной системы управления. Его активность должна быть востребована. Чтобы аксон мог передавать сигналы, на нем должны быть сформированы синапсы – а они, как мы помним, возникают только при контактах с дендритами других нейронов. Каждый такой синапс может принять строго определенное количество нейротрансмиттеров, и количество это определяется принимающей (постсинаптической) стороной. Поэтому результирующая активность нейрона зависит не только от количества (и качества) поступающих к нему сигналов, но и от количества других нейронов, готовых его «выслушать».

Таким образом, каждый нейрон в своей долгой жизни имеет вполне конкретную Цель. Мы можем ее сформулировать так:

Цель нейрона = Получить максимум Информации и быть максимально Полезным

Обратите внимание, что «удовольствие» нейрон получает в ситуации, когда его структура адекватна поступающей информации, а «неудовольствие» означает, что структуру надо менять, чтобы вновь стать адекватным окружающей среде. Назовем состояние нейрона со стабильно высокой активностью реализацией (ну не счастьем же его называть?), а состояние с опасно низкой активностью – трансформацией (в лучшем случае – в более активный нейрон, в худшем – в совсем мертвый). Как мы уже убедились, природа позаботилась о том, чтобы нейрон «на собственной шкуре» чувствовал, в каком состоянии – хорошем или плохом – он в каждый момент находится. И точно так же, как человеку, никакие силы на свете не могут гарантировать нейрону вечное блаженство. Для того чтобы жить, нейрон обязан постоянно стремиться к реализации.

Разряды нейрона – не реакция на полученный синаптический приток, а активность, направленная в будущее. Итак, у нейрона в этой жизни есть Цель. Как же он ее достигает?

Хочешь жить – умей вертеться. Принципы нейроматики.

Повторим то немногое, что мы уже знаем о нейроне. Цель жизни нейрона - получать извне, через дендриты, как можно больше информации, и отдавать ее через аксон в таком переработанном виде, в котором ее будут потреблять другие нейроны.

Поскольку нейрон никак не может заранее знать, какая информация и в каком месте будет востребована, для достижения реализации ему придется действовать методом проб и ошибок (нейрон не может прочитать подсказку в умной книге). Вырастив некий начальный набор дендритов, чуть-чуть отодвинув от себя аксон и настроив каким-то образом свою «передаточную функцию», нейрон достигает определенного уровня возбуждения. Скорее всего, оно окажется достаточно далеко от реализации – метод «тыка» редко приводит к успеху с первого раза. Перед нейроном встает вопрос – а что делать дальше?

Прежде всего, чтобы что-то делать дальше, нейрон должен иметь возможность оценить существующее положение дел. Оценивать его он может двумя способами. Во-первых, нейрон может сравнить свое текущее возбуждение с некоторым эталонным уровнем, соответствующим реализации. Однако такая интегральная оценка – например, «плохо», - мало что говорит нейрону о причинах этого «плохо». Второй способ, которым нейрон может оценить свою ситуацию – это обратить внимание на процессы, происходящие в его собственных синаптических окончаниях. Достаточное ли количество синапсов образовалось на аксоне? Насколько активно эти синапсы передают информацию? Чем одни синапсы отличаются от других? Получив такую информацию, нейрон может выбрать направление дальнейшего развития – то ли удлинять аксон, разыскивая новые дендриты, то ли изменять выдаваемую вовне информацию, то ли делать что-то еще (об этом – ниже). Чтобы проявлять активность в окружающей его сложной среде, нейрон должен иметь от этой среды обратную связь.

neuron Нейрон активен и «доволен», только когда ему есть кому передавать сигналы.

Первый принцип нейроматики – принцип обратной связи.

Представим теперь, что наш нейрон получил «донесение» от своих аксонных синапсов. Синапс № 1 активен, успешно передает информацию – а синапсы № 2 - № 999 работают фактически «вхолостую». Нейрон кричит во всю глотку – а его никто не слушает!

Как вообще возможна такая ситуация? Да очень просто. Бывало ли в Вашей жизни так, что вы попадали в компанию узких специалистов в той области, в которой сами абсолютно не компетентны? Ну и как? По сути, для Вас это был иностранный язык! Вы не готовы воспринимать эту информацию, она для Вас все равно что шум за окном. Нетрудно предсказать, что вскоре Вы либо покинете такую компанию, либо попросите сменить тему. А ведь специалисты, быть может, говорили о каком-то выдающемся открытии, сообщая друг другу кучу важной информации!

Таким образом, какие бы великие истины не сообщал наш нейрон через синапс № 1, его сообщение оказалось невостребованным большинством дендритов. «Язык» нейрона оказался им непонятен, его сигналы не попали «в такт» с их ожиданиями. Чтобы информация пошла через оставшиеся синапсы, кто-то должен измениться – либо сам нейрон, либо 1000 подключенных к нему дендритов. Понятно, что меняться придется именно нашему нейрону.

Мы только что сформулировали второй принцип нейроматики: выдаваемая нейроном информация должна соответствовать ожиданиям ее потребителей, т.е. других нейронов. Нейрон вынужден отбирать определенные (успешные) последовательности сигналов и отдавать им преимущество перед другими, которые не были востребованы. Этот принцип называется селективностью:

neuron1 Чтобы иметь «слушателей», нейрон должен настроиться на их «волну».

Второй принцип нейроматики – принцип селективности.

Ну что ж, селективность при наличии обратной связи – великое дело. Нейрон начинает менять свою передаточную функцию, подстраиваясь под желания своих соседей, и очень скоро достигает куда более высокого уровня возбуждения, чем раньше. Все хорошо?

Хорошо-то хорошо, но вот незадача: по прошествии какого-то времени возбуждение начинает постепенно уменьшаться. Информация, которая еще вчера «нравилась» нейронам-потребителям, теперь уже не вызывает у них прежнего отклика. Вспоминая приведенный выше пример, это означает, что Вы выучили «иностранный язык» узких специалистов и поняли, что спорят они вовсе не о мировых истинах, а о значении поправочного коэффициента к плохо коррелированным рядам экспериментальных данных. Причем спорят уже не первый день и даже не первый месяц. Ну, Вы и перестаете их слушать.

Нейрон освоил «язык» своих соседей – но мало знать язык, нужно еще и говорить на нем что-то новенькое! Что же делать, чтобы снова повысить уровень возбуждения, еще ближе подойти к реализации? Самое время вспомнить, что у нейрона есть не только выход, но и вход. Быть может, там, на синапсах дендритов, давно уже появляется новая информация, вот только нейрон ее до сих пор не слышал?

Но что значит «слышал – не слышал»? Когда у тебя тысяча дендритов, трудно уделять внимание каждому из них! Нейрон пользуется некоей «усредненной» картиной, которую в искусственных сетях обычно моделируют набором весовых коэффициентов (1 – слушаем, 0 – не слушаем). Таким образом, нейрону нужно поменять способ усреднения входной информации – поменять набор своих весовых коэффициентов. При этом желательно не забывать про старый набор – вдруг новый окажется не лучше, а хуже?

neuron2 Чтобы выдавать полезный сигнал, нейрон должен правильно подбирать весовые коэффициенты для своих дендритов.

«Поигравшись» таким образом какое-то время, нейрон почти наверняка сможет найти новую комбинацию весовых коэффициентов, которая позволит ему выдать наружу более «интересный» сигнал. В дальнейшем, когда и этот сигнал вызовет у слушателей «привыкание», нейрон получит возможность либо вернуться к предыдущему набору коэффициентов – вдруг слушатели «соскучились» по старому? – либо искать еще один, а потом еще и еще. Чем чаще нейрон будет проводить такие поиски, тем меньше будет «привыкание» у его потребителей, и тем больше его шансы на достижение следующего уровня реализации. Мы сформулировали третий принцип нейроматики: для реализации нейрон должен постоянно искать в поступающей информации новое содержание.

neuron3. Полезный сигнал на выходе можно создать из самых разных входных сигналов.

Третий принцип нейроматики – принцип поисковой активности.

Ну уж теперь, казалось бы, наш нейрон должен пребывать на вершине блаженства. Чуть что не так, он меняет свои весовые коэффициенты, подстраивает свой выходной сигнал под потребителей, и получает все новые порции возбуждения. Однако и здесь его могут настигнуть неприятности. Ведь нейрон у нас не один в мозге, рядом есть точно такие же нейроны, соединенные своими аксонами с теми же самими потребителями! Что, если им повезло чуть больше, и их выходные сигналы оказались более «интересными» для слушающих нейронов?

Внимание слушателей переключается на новых «звезд», их весовые коэффициенты для нашего нейрона обращаются в нуль, и его уровень возбуждения падает до критически малой величины. Для нейрона наступает момент трансформации – при существующей аксонно-дендритной структуре его ждет голодная смерть. Единственный выход – измениться, вырастить новые дендриты в поисках еще более интересной информации, или протянуть аксон куда-нибудь подальше, где могут найтись благодарные слушатели.

Здесь самое время вспомнить, чем мозг человека отличается от мозга обезьяны. Как раз этой самой способностью – в первые годы жизни нейроны человека могут прорастать в самые разные стороны, образуя каждый раз новую, уникальную структуру. Четвертый принцип нейроматики относится именно к таким, «высшим» нейронам, нейронам, способным порождать Разум:

neuron4 Если ни один из выходных сигналов не подходит «ближнему окружению», нейрон может прорастить аксон к другим дендритам.

Четвертый принцип нейроматики – принцип изменчивости.

 Выявленные нами четыре принципа содержат в себе все необходимое, чтобы обеспечить нейрону достижение максимально возможной реализации – а мозгу, в свою очередь, получение от этого нейрона максимально востребованной и качественной информации. Получив возможность изменяться, нейрон фактически становится бессмертным – а значит, рано или поздно достигнет своей высшей цели, полной реализации.

Мы вели речь о нейроне, реализовавшем все четыре принципа нейроматики, реальные нейроны (вспомним эволюцию нервной системы) такой возможности лишены; даже нейроны человека с годами теряют способность к трансформации. Но нескольких детских лет (при соответствующем обучении, конечно) хватает, чтобы сформировать в человеческом мозге нервную систему четвертого поколения. Нервную систему, обладающую разумом.

 Cтатья подготовлена на основании книги: "Нейроматика об интеллекте организаций. Популярный очерк" И.В.Бощенко, С.И.Щеглов

 

Марафоны

Расписание новых потоков

Календарь публичных событий

Баннеры

Контакты

БЦ «Баррель»
Москва. 1-ый Автозаводский проезд, д 4 корп 1

Email: Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.

Fax+7 (916) 835-1-835

Webistebroncenter.ru

Личный кабинет

 МЦРЧ "Каффа" Бронниковой Н.В. - платформа электронного обучения, позволяет проводить обучение в режиме онлайн, оптимизируя время и снижая затраты, связанные с традиционными методами обучения. Присоединяйтесь к системе функций и модулей для повышения ваших возможностей.