Нейроны головного мозга

Что такое ИНС?

Давайте начнем с Вашего представления о ИНС. Исходя из общепринятых знаний, многие думают что ИНС представляют собой копию человеческой НС в коре головного мозга. Некий набор алгоритмов и накопленных знаний, благодаря которым сеть принимает дальнейшие решения. Это суждение верно, но не стоит переоценивать ее возможности. Если наша ИНС умеет варить Вам кофе с утра, то вряд ли она сможет приготовить Вам завтрак, если Вы сами ее этому не научите. Из этого можно сделать вывод, что ИНС выполняет лишь те функции, которым она обучена. Самообучающиеся нейронные сети это не миф, но пока еще не удалось разработать стабильную сеть, которая самостоятельно генерировала бы алгоритмы для решения различных задач.

Для понимания устройства нейронной сети давайте немного окунемся в биологию и устройство человеческого мозга и проведем некоторые параллели с устройством ИНС. Это не так сложно, как может показаться! 

Давайте более подробно разберем это определение. Из него следует что нейронная сеть представляет собой некоторое количество нейронов, связанных между собой. Сколько нейронов в мозге человека? По подсчетам многих ученых, мозг человека состоит из порядка 100 миллиардов нейронов (плюс-минус пара миллиардов). Именно эта цифра долгие годы приводилась в учебниках по нейробиологии и психологии. Каждый из нейронов является вычислительной единицей, которая обрабатывает входящую информацию и передает ее дальше. Для получения информации у нейрона есть входные каналы, которые называются синапсы. Синапсы это каналы, по которым в нейрон поступает информация из других нейронов. На рисунке синапсы обозначены буквой W, а другие нейроны буквой X. Каждый синапс обладает весом, чем больше вес синапса, тем больше результат работы нейрона будет преобладать в дальнейших вычислениях. Рассмотрим работу синапсов на примере изображения:

Разноцветные круги слева — нейроны. Линиями изображены синапсы. Как видно, каждый синапс обладает весом. Этот вес проставляется случайным образом в диапазоне от 0 до 1. На изображении справа изображена работа сумматора. Сумматор — это функция, которая рассчитывает вес входных сигналов и передает их дальше в функцию активации, об этом чуть позже. Давайте попробуем рассчитать вес входных сигналов, если результаты работы нейронов были следующие:

• 1 — 0.35
• 2 — 0.12
• 3 — 0.6

Важно понимать что ИНС оперирует данными в диапазоне от 0 до 1. Вычисление веса в сумматоре производится пос следующей формуле:. Функция совершенно линейна, из этого мы получаем следующую формулу:

Функция совершенно линейна, из этого мы получаем следующую формулу:

Таким образом мы получили некую единицу, вес который будет передан в функцию активации. 

Функций активации достаточно много поэтому мы рассмотрим самые основные: Линейная, Сигмоид (Логистическая) и Гиперболический тангенс. Главные их отличия — это диапазон значений.

Линейная функция

Эта функция почти никогда не используется, за исключением случаев, когда нужно протестировать нейронную сеть или передать значение без преобразований.Сигмоид

Это самая распространенная функция активации, ее диапазон значений . Именно на ней показано большинство примеров в сети, также ее иногда называют логистической функцией. Соответственно, если в вашем случае присутствуют отрицательные значения (например, акции могут идти не только вверх, но и вниз), то вам понадобиться функция которая захватывает и отрицательные значения.Гиперболический тангенс

Имеет смысл использовать гиперболический тангенс, только тогда, когда ваши значения могут быть и отрицательными, и положительными, так как диапазон функции . Использовать эту функцию только с положительными значениями нецелесообразно так как это значительно ухудшит результаты вашей нейросети.

Подведем итоги. Что мы узнали про ИНС?

У нейрона есть входы. На них подаются сигналы в виде чисел. Каждый вход имеет свой вес (тоже число). Сигналы на входе умножаются на соответствующие веса. Получаем набор «взвешенных» входных сигналов.

Далее этот набор попадает в сумматор, которой просто складывает все входные сигналы, помноженные на веса. Получившееся число называют взвешенной суммой.

Затем взвешенная сумма преобразуется функцией активации и мы получаем выход нейрона.

Научные войны

Времена, когда богатые лорды жили за счет своих имений и занимались наукой на досуге, давно прошли. Теперь практически в любой стране, где ведутся научные исследования, на них действуют законы рынка. Современные ученые — такие же работники, как и обитатели офисов или операторы токарных станков. Они должны выдать определенный результат (научную статью, а лучше много, да в престижных журналах) за заданный промежуток времени (срок действия гранта). От прочих работников они отличаются лишь тем, что деньги — то есть гранты — за труд им дают еще до выполнения поставленных задач, авансом. Но чтобы этот аванс получить, нужно обосновать значимость своей работы для общества. А зачем обществу биологические исследования? Разве что для медицинских целей. Вот и пишут ученые в заявках на гранты: «Найдем предшественники нейронов в гиппокампе или еще где-то, и если найдем, то будем их вводить в мозги больных Альцгеймером или инсультом, у них появятся новые нервные клетки, работа мозга восстановится, и все заживут счастливо»…

 Светлана Ястребова

На что не тратить время

Витамины и добавки без обследований и назначения врача

Считается, что усиленный прием магния и холина может улучшить нейропластичность. В теории это так, но это касается только людей, у которых уровни этих элементов угрожающе низкие.

Не назначайте себе витамины и добавки без анализов, простых изменений в рационе и общения с врачом.

Классическая музыка

Есть много исследований, которые показывают, что классическая музыка влияет на то, как мы учимся и думаем.

Вместе с тем ученые утверждают, что самый лучший эффект на мозг оказывает любимая музыка, которая держит нас в состоянии «потока». Если это не Бах и не Моцарт — не мучайте себя.

Превращайте препятствия в нечто иное.

Взгляните на то, что стоит на вашем пути, преграждая путь к цели. Взгляните на то, что вы получаете сейчас благодаря имеющимся привычкам или шаблонам поведения. А теперь сравните все это с тем, что вам способно дать достижение цели. Взгляните на весь стресс в вашей жизни, и на то, какой она могла бы стать, если бы вы взяли себя в руки, и занялись делом.

Постарайтесь изменить свой взгляд на мир, переключив его с привычного на возможное. И вместо того, чтобы смотреть на препятствия, как на что-то, способное вас остановить, начните видеть их, как нечто, способное преподать вам жизненный урок и продвинуть вперед.

Овладейте своими эмоциями и мыслями и переместитесь с проселочной дороги, которой вы ехали ранее, на широкополосное шоссе вашего разума.

Строение нейрона

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.

КАК МЫСЛЬ СТАВИТ БОЛЬНЫХ НА НОГИ

— Вы открыли зеркальные нейроны больше 20 лет назад – наверняка с тех пор кроме научных исследований были попытки использовать ваше открытие в медицине?

— Да, мы работаем над практическим применением открытия, в том числе, в медицине. Известно, что моторные зеркальные нейроны заставляют нас мысленно воспроизводить то же действие, которое мы видим — если его совершает другой человек, в том числе на экране телевизора или компьютера. Так, например, замечено: когда люди смотрят поединок боксеров, у них напрягаются мускулы, и даже могут сжиматься кулаки. Это типичный нейроэффект, и на нем основана новая технология восстановления после инсульта, болезни Альцгеймера и других заболеваний, при которых человек забывает движения. Сейчас мы ведем эксперименты в Италии и Германии.

Суть вот в чем: если у пациента нейроны не окончательно «разбиты», а нарушена их работа, то используя зрительный толчок – показывая необходимое действие при определенных условиях – можно активизировать нервные клетки, заставить их «отражать» движения и снова начать работать, как нужно. Такой метод называется «терапия действия и наблюдения» (action-observation therapy), в экспериментах она дает значительное улучшение при реабилитации больных после инсульта.

Но самый удивительный результат обнаружился, когда эту терапию попробовали применить для восстановления людей после серьезных травм, автоаварий – когда человеку накладывают гипс, а потом ему фактически заново нужно учиться ходить. Обычно в таких случаях долго сохраняется болезненная походка, пациент хромает и т.д. Если традиционно обучать и тренировать, это занимает немало времени. В то же время, если показать специально созданный фильм с соответствующими движениями, то в мозге пострадавших активируются необходимые двигательные нейроны, и люди начинают нормально ходить буквально за несколько дней. Даже для нас, ученых, это выглядит как чудо.

Нейрон и его строение

Часто можно слышать, что умственные способности человека гарантирует наличие серого вещества. Что это за вещество и почему оно серое? Такой цвет имеет кора головного мозга, состоящая из микроскопических клеток. Это нейроны или нервные клетки, которые обеспечивают работу нашего мозга и управление всем организмом человека.

Как устроена нервная клетка

Нейрон, как и любая живая клетка, состоит из ядра и клеточного тела, которое называют сома. Размер самой клетки микроскопический – от 3 до 100 мкм. Однако это не мешает нейрону быть настоящим хранилищем разнообразной информации. Каждая нервная клетка содержит в себе полный набор генов – инструкций по производству белков. Одни из белков участвуют в передаче информации, другие создают защитную оболочку вокруг самой клетки, третьи участвуют в процессах памяти, четвертые обеспечивают смену настроения и т. д.

Даже небольшой сбой в одной из программ по производству какого-то белка может привести к тяжелым последствиям, заболеванию, нарушению психической деятельности, слабоумию и т. д.

Каждый нейрон окружен защитной оболочкой из глиальных клеток, они буквально заполняют все межклеточное пространство и составляют 40 % от вещества головного мозга. Глия или совокупность глиальных клеток выполняет очень важные функции: защищает нейроны от неблагополучных внешних воздействий, поставляет нервным клеткам питательные вещества и выводит продукты их жизнедеятельности.

Глиальные клетки стоят на страже здоровья и целостности нейронов, поэтому не допускают проникновение в нервные клетки многих посторонних химических веществ. В том числе и лекарственных препаратов. Поэтому эффективность различных лекарств, призванных усилить деятельность мозга, совершенно непредсказуема, и действуют они по-разному на каждого человека.

Дендриты и аксоны

Несмотря на сложность устройства нейрона, сам по себе он не играет существенной роли в работе мозга. Наша нервная деятельность, в том числе мыслительная активность – это результат взаимодействия множества нейронов, обменивающихся сигналами. Прием и передача этих сигналов, точнее, слабых электрических импульсов происходит с помощью нервных волокон.

Нейрон имеет несколько коротких (около 1 мм) разветвленных нервных волокон – дендритов, названных так из-за схожести с деревом. Дендриты отвечают за прием сигналов от других нервных клеток. А в качестве передатчика сигналов выступает аксон. Это волокно у нейрона только одно, зато оно может достигать в длину до 1,5 метров. Соединяясь с помощью аксонов и дендритов, нервные клетки образуют целые нейронные сети. И чем сложнее система взаимосвязей, тем сложнее наша психическая деятельность.

Работа нейрона

В основе сложнейшей деятельности нашей нервной системы – обмен слабыми электрическими импульсами между нейронами. Но проблема в том, что изначально аксон одной нервной клетки и дендриты другой не соединены, между ними находится пространство, заполненное межклеточным веществом. Это так называемая синаптическая щель, и преодолеть ее сигнал не может. Представьте, что два человека тянут друг к другу руки и совсем чуть-чуть не дотягиваются.

Эта проблема решается нейроном просто. Под воздействием слабого электрического тока возникает электрохимическая реакция и формируется белковая молекула – нейротрансмиттер. Эта молекула и перекрывает синаптическую щель, став своеобразным мостиком для прохождения сигнала. Нейротрансмиттеры выполняют и еще одну функцию – они связывают нейроны, и чем чаще проходит сигнал по этой нервной цепи, тем сильнее эта связь. Представьте брод через реку. Проходя по нему, человек бросает в воду камень, и затем каждый следующий путник поступает так же. В результате возникает прочный, надежный переход.

Такое соединение между нейронами называют синапсом, и оно играет важную роль в деятельности мозга. Считается, что даже наша память – это результат работы синапсов. Эти связи обеспечивают большую скорость прохождения нервных импульсов – сигнал по цепи нейронов движется со скоростью 360 км/час или 100 м/сек. Можно посчитать, за какое время в головной мозг попадет сигнал от пальца, который вы случайно укололи иголкой. Есть старая загадка: «Что быстрее всего на свете?». Ответ: «Мысль». И это очень было точно подмечено.

Гиппокамп и восстановление мозга

Согласно последним данным, человеческий мозг содержит около 85 млрд. нервных клеток (нейронов). Известно, что в течение жизни происходит постепенная потеря этих клеток (они начинают гибнуть около 30-летнего возраста).

Одно из первых исследований, вызвавших интерес к пластичности мозга среди непрофессионалов, провела Элеонор Магуайр из Университетского колледжа Лондона. Она обнаружила, что у лондонских таксистов гораздо более развитый гиппокамп, чем у водителей автобусов. Гиппокамп – это мозговая часть, ответственная, среди прочего, за восприятие пространства. Учитывая тот факт, что водители такси должны помнить много названий улиц, их размещение и связь, родилось предположение, что это изменение вызвано тренировкой в пространственной ориентации, которой водителям автобусов не хватает.

Проблема этого исследования заключается в том, что оно не отличает врожденную и приобретенную функцию. В этом контексте интересные результаты предоставили исследования скрипачей, установившие, что эти музыканты имеют гораздо большую поверхность моторической (двигательной) коры, относящейся к пальцам левой руки. Это соответствует тому, что при игре на скрипке каждый палец левой руки должен сделать самостоятельное движение. При этом на правой руке все пальцы работают совместно. Против возражения о возможности генетической предрасположенности выступает факт, что разница между организацией левого и правого полушария прямо пропорциональна возрасту, когда музыканты начали играть на скрипке.

Реорганизация коры головного мозга наблюдалась также у людей с врожденными зрительными или слуховыми дефектами. Согласно принципу «use it or loose it» (использовать или потерять), незадействованную кору головного мозга может использовать другая функция. Области, первоначально предназначенные для обработки зрительных или слуховых стимулов, лишаются их, а их пространство используется для других функций, например, тактильных. Реорганизация – это результат роста длинных отростков нейронов, аксонов. После травмы головы с поражением мозга нейронные соединения могут быть восстановлены или заменены новыми соединениями, которые компенсируют потерянную функцию другой частью мозга.

Один из величайших сюрпризов последнего времени – открытие того, что взрослый мозг может в некоторых областях создавать совершенно новые нейроны из стволовых клеток, а на этот процесс влияет человеческий опыт.

Отростки

У нейронов присутствуют аксоны (в количестве одна штука) и дендриты (один или несколько).

Аксон

Является длинным выростом цитоплазмы. По нему сигналы следуют от тела к органам и другим нейронам. Диаметр его составляет несколько микронов, а длина у человека составляет несколько десятков сантиметров. Рост зависит от сомы: при повреждении периферические его части могут отмирать, а основная продолжает функционировать.

Строение аксоплазмы (аксональной протоплазмы) предполагает наличие нейрофибрилл (осуществляющих опорные и дренажные функции нейронов), микротрубочек (структур из белка), митохондрий и эндоплазматической сети. У человека аксоны покрыты и образуют мякотные нервные волокна. В такой оболочке находятся олигодендроциты, между которыми существуют небольшие части, освобожденные от нее. На них возникает потенциал действия. Импульс способен распространяться по мякотным волокнам ступенчато – благодаря этому повышается скорость распространения информации.

Дендриты

Короткие и разветвленные отростки. Эти части нейрона являются основными для образования синапсов, которые влияют на нейрон и передают возбуждение к соме. Дендриты, в отличие от аксонов, не обладают миелиновой оболочкой.

То, сколько входных сигналов получает нервная клетка, зависит от разветвленности дендритной сети и ее сложной структуры. Основные функции дендритов заключаются в увеличении поверхности для синапсов, что дает возможность интеграции большого количества информации, поступающей к нервной клетке. Кроме того, они способны генерировать потенциалы действия, воздействовать на возникновение таких потенциалов в аксонах.

Передача импульса идет от дендрита или сомы к аксону. После того, как потенциал действия сгенерирован, он передается от начальной аксональной части обратно к дендритам. Когда аксон сочленяется с сомой последующего нейрона, контакт называют аксо-соматическим. Если с дендритами – аксо-дендритический, а с аксоном другого нейрона – аксо-аксональный.

Строение аксонов подразумевает наличие терминалей – так называемых концевых отделов. Они ветвятся и входят в контакт с другими клетками в организме (мышечными, железистыми и т. п.). У аксона имеется синаптическое окончание – часть, которая контактирует с клеткой-мишенью. Постсинаптическая оболочка такой клетки совместно с синаптическим окончанием формирует синапс, посредством которого передается возбуждение и благодаря которому осуществляется взаимодействие клеток между собой.

Сколько связей способен установить один нейрон? Одна нервная клетка, обладающая возможностью взаимодействовать, может осуществлять 20 000 связей.

Мозг самостоятельно “переключает” нейронные сети

В ходе эксперимента ученые проанализировали паттерны мозговой активности по секундам у 98 испытуемых. Паттерны – это своего рода шаблон регулярно повторяющихся действий. В ходе эксперимента часть испытуемых бодрствовала или находилась под наркозом, у в то время как у другой части испытуемых наблюдались нарушения сознания. В ходе исследования ученые обнаружили, что мозг испытуемых очень быстро “переключался” от одной сети к другой, причем происходило это регулярно и по определенным паттернам. Оказалось, что у пациентов под наркозом и у пациентов с нарушением мозгового кровообращения функционирование высших функций мозга было значительно снижено. Более того, характер “переключения” между сетями зависел от того, находился пациент в сознании или нет.

Скорее всего все, кем мы являемся, все наши мысли и ощущения – ничто иное, как порождение мозга

Подписывайтесь на наш новостной канал в Telegram чтобы всегда быть в курсе самых интересных новостей из мира науки и высоких технологий

По мнению авторов исследования полученные результаты в будущем позволят создать новую картину мозга человека, которая меняется каждую секунду и которая – в чем ученые убеждены – связана с сознанием. Напомню, что в последние годы ученые пытаются обнаружить участки мозга, ответственные за сознание. Несмотря на то, что конкретные области выделить так и не удалось, год за годом, открытие за открытием ученые постепенно составляют общую картину того, как именно работает мозг – а это, на секундочку, самый сложный орган тела человека – медленно но верно приближаясь к тайнам сознания. Если вам интересна эта тема и вы не боитесь усомниться в своих убеждениях, читайте наш большой материал о загадках сознания и о людях, которые посвятили свою жизнь поискам ответов на один из сложнейших вопросов современности – что такое сознание и как оно появилось.