Как работает мозг? / Хабр
Этот пост написан по мотивам лекции Джеймса Смита, профессора Висконсинского университета в Мадисоне, специализирующегося в микроэлектронике и архитектуре вычислительных машин.
История компьютерных наук в целом сводится к тому, что учёные пытаются понять, как работает человеческий мозг, и воссоздать нечто аналогичное по своим возможностям. Как именно учёные его исследуют? Представим, что в XXI веке на Землю прилетают инопланетяне, никогда не видевшие привычных нам компьютеров, и пытаются исследовать устройство такого компьютера. Скорее всего, они начнут с измерения напряжений на проводниках, и обнаружат, что данные передаются в двоичном виде: точное значение напряжения не важно, важно только его наличие либо отсутствие. Затем, возможно, они поймут, что все электронные схемы составлены из одинаковых «логических вентилей», у которых есть вход и выход, и сигнал внутри схемы всегда передаётся в одном направлении. Если инопланетяне достаточно сообразительные, то они смогут разобраться, как работают комбинационные схемы — одних их достаточно, чтобы построить сравнительно сложные вычислительные устройства. Может быть, инопланетяне разгадают роль тактового сигнала и обратной связи; но вряд ли они смогут, изучая современный процессор, распознать в нём фон-неймановскую архитектуру с общей памятью, счётчиком команд, набором регистров и т.п. Дело в том, что по итогам сорока лет погони за производительностью в процессорах появилась целая иерархия «памятей» с хитроумными протоколами синхронизации между ними; несколько параллельных конвейеров, снабжённых предсказателями переходов, так что понятие «счётчика команд» фактически теряет смысл; с каждой командой связано собственное содержимое регистров, и т.д. Для реализации микропроцессора достаточно нескольких тысяч транзисторов; чтобы его производительность достигла привычного нам уровня, требуются сотни миллионов. Смысл этого примера в том, что для ответа на вопрос «как работает компьютер?» не нужно разбираться в работе сотен миллионов транзисторов: они лишь заслоняют собой простую идею, лежащую в основе архитектуры наших ЭВМ.
Моделирование нейронов
По аналогии с устройством компьютера, абсолютное большинство этих нейронов нужны для скорости и эффективности работы, для устойчивости ко сбоям, и т.п.; но основные принципы устройства мозга так же невозможно обнаружить при помощи микроскопа, как невозможно обнаружить счётчик команд, рассматривая под микроскопом микропроцессор. Поэтому более плодотворный подход — попытаться понять устройство мозга на самом низком уровне, на уровне отдельных нейронов и их колонок; и затем, опираясь на их свойства — попытаться предположить, как мог бы работать мозг целиком. Примерно так пришельцы, поняв работу логических вентилей, могли бы со временем составить из них простейший процессор, — и убедиться, что он эквивалентен по своим способностям настоящим процессорам, даже хотя те намного сложнее и мощнее.
На рисунке, приведённом чуть выше, тело нейрона (слева) — небольшое красное пятнышко в нижней части; всё остальное — дендриты, «входы» нейрона, и один аксон, «выход». Разноцветные точки вдоль дендритов — это синапсы, которыми нейрон соединён с аксонами других нейронов. Работа нейронов описывается очень просто: когда на аксоне возникает «всплеск» напряжения выше порогового уровня (типичная длительность всплеска 1мс, уровень 100мВ), то синапс «пробивается», и всплеск напряжения переходит на дендрит. При этом всплеск «сглаживается»: вначале напряжение за 5..20мс растёт до порядка 1мВ, затем экспоненциально затухает; таким образом, длительность всплеска растягивается до ~50мс.
Если несколько синапсов одного нейрона активизируются с небольшим интервалом по времени, то «разглаженные всплески», возбуждаемые в нейроне каждым из них, складываются. Наконец, если одновременно активны достаточно много синапсов, то напряжение на нейроне поднимается выше порогового уровня, и его собственный аксон «пробивает» синапсы связанных с ним нейронов.
Чем мощнее были исходные всплески, тем быстрее растут разглаженные всплески, и тем меньше будет задержка до активизации следующих нейронов.
Кроме того, бывают «тормозящие нейроны», активация которых понижает общее напряжение на связанных с ним нейронах. Таких тормозящих нейронов 15..25% от общего числа.
У каждого нейрона тысячи синапсов; но в любой момент времени активны не больше десятой части всех синапсов. Время реакции нейрона — единицы мс; такого же порядка задержки на распространение сигнала вдоль дендрита, т.е. эти задержки оказывают существенное влияние на работу нейрона. Наконец, пару соседних нейронов, как правило, связывает не один синапс, а порядка десятка — каждый с собственным расстоянием до тел обоих нейронов, а значит, с собственной длительностью задержки. На иллюстрации справа два нейрона, изображённые красным и синим, связаны шестью синапсами.
У каждого синапса своё «сопротивление», понижающее входящий сигнал (в примере выше — со 100мВ до 1мВ). Это сопротивление динамически подстраивается: если синапс активизировался сразу перед активацией аксона — то, видимо, сигнал с этого синапса хорошо коррелирует с общим выводом, так что сопротивление понижается, и сигнал будет вносить больший вклад в напряжение на нейроне. Если же синапс активизировался сразу после активации аксона — то, видимо, сигнал с этого синапса не имел отношения к активации аксона, так что сопротивление синапса повышается. Если два нейрона связаны несколькими синапсами с разной длительностью задержки, то такая подстройка сопротивлений позволяет выбрать оптимальную задержку, или оптимальную комбинацию задержек: сигнал начинает доходить именно тогда, когда от него больше всего пользы.
Таким образом, модель нейрона, принятая исследователями нейронных сетей — с единственной связью между парой нейронов и с мгновенным распространением сигнала от одного нейрона к другому — весьма далека от биологической картины. Кроме того, традиционные нейронные сети оперируют не временем отдельных всплесков, а их частотой: чем чаще всплески на входах нейрона, тем чаще будут всплески на выходе. Те детали устройства нейрона, которые отброшены в традиционной модели — существенны или несущественны они для описания работы мозга? Нейробиологи накопили огромную массу наблюдений об устройстве и поведении нейронов — но какие из этих наблюдений проливают свет на общую картину, а какие — лишь «детали реализации», и — как и предсказатель переходов в процессоре — не влияют ни на что, кроме эффективности работы? Джеймс считает, что именно временны́е характеристики взаимодействия между нейронами и позволяют приблизиться к пониманию вопроса; что асинхронность так же важна для работы мозга, как синхронность — для работы ЭВМ.
Ещё одна «деталь реализации» — ненадёжность нейрона: с некоторой вероятностью он может активизироваться спонтанно, даже если сумма напряжений на его дендритах не достигает порогового уровня. Благодаря этому, «обучение» колонки нейронов можно начинать с любого достаточно большого сопротивления на всех синапсах: вначале никакая комбинация активаций синапсов не будет приводить к активации аксона; затем спонтанные всплески приведут к тому, что понизится сопротивление синапсов, которые активизировались незадолго до этих спонтанных всплесков. Таким образом нейрон начнёт распознавать конкретные «паттерны» входных всплесков. Что самое важное, паттерны, похожие на те, на которых нейрон обучался, — тоже будут распознаваться, но всплеск на аксоне будет тем слабее и/или позднее, чем меньше нейрон «уверен» в результате. Обучение колонки нейронов получается намного эффективнее, чем обучение обычной нейронной сети: колонке нейронов не нужен контрольный ответ для тех образцов, на которых она обучается — фактически, она не распознаёт, а классифицирует входные паттерны. Кроме того, обучение колонки нейронов локализовано — изменение сопротивления синапса зависит от поведения лишь двух соединённых им нейронов, и никаких других. В результате этого, обучение приводит к изменению сопротивлений вдоль пути следования сигнала, тогда как при обучении нейронной сети веса изменяются в обратном направлении: от нейронов, ближайших к выходу — к нейронам, ближайшим ко входу.
Например, вот колонка нейронов, обученная распознавать паттерн всплесков (8,6,1,6,3,2,5) — значения обозначают время всплеска на каждом из входов. В результате обучения, задержки настроились на точное соответствие распознаваемому паттерну, так что напряжение на аксоне, вызываемое правильным паттерном, получается максимально возможным (7):
Та же самая колонка отреагирует на похожий входной паттерн (8,5,2,6,3,3,4) меньшим всплеском (6), причём напряжение достигает порогового уровня заметно позднее:
Наконец, тормозящие нейроны могут использоваться для реализации «обратной связи»: например, как на иллюстрации справа, — подавлять повторные всплески на выходе, когда вход длительное время остаётся активным; или подавлять всплеск на выходе, если он слишком задерживается по сравнению со входными сигналами, — чтобы сделать классификатор более «категоричным»; или, в нейросхеме для распознавания паттернов, разные колонки-классификаторы могут быть связаны тормозящими нейронами, чтобы активация одного классификатора автоматически подавляла все остальные классификаторы.
Распознавание изображений
Для распознавания рукописных цифер из базы MNIST (28×28 пикселей в оттенках серого) Джеймс из колонок-классификаторов, описанных выше, собрал аналог пятислойной «свёрточной нейросети». Каждая из 64 колонок в первом слое обрабатывает фрагмент 5х5 пикселей из исходного изображения; такие фрагменты перекрываются. Колонки второго слоя обрабатывают по четыре выхода из первого слоя каждая, что соответствует фрагменту 8х8 пикселей из исходного изображения. В третьем слое всего четыре колонки — каждой соответствует фрагмент из 16х16 пикселей. Четвёртый слой — итоговый классификатор — разбивает все изображения на 16 классов: класс назначается в соответствии с тем, который из нейронов активизируется первым. Наконец, пятый слой — классический перцептрон, соотносящий 16 классов с 10 контрольными ответами.
Классические нейросети достигают на базе MNIST точности 99.5% и даже выше; но по утверждению Джеймса, его «гиперколонка» обучается за гораздо меньшее число итераций, благодаря тому, что изменения распространяются вдоль пути следования сигнала, а значит, затрагивают меньшее число нейронов. Как и для классической нейросети, разработчик «гиперколонки» определяет только конфигурацию соединений между нейронами, а все количественные характеристики гиперколонки — т.е. сопротивление синапсов с разными задержками — приобретаются автоматически в процессе обучения. Кроме того, для работы гиперколонки требуется на порядок меньшее число нейронов, чем для аналогичной по возможностям нейросети. С другой стороны, симуляция таких «аналоговых нейросхем» на электронном компьютере несколько затрудняется тем, что в отличие от цифровых схем, работающих с дискретными сигналами и с дискретными интервалами времени — для работы нейросхем важны непрерывность изменения напряжений и асинхронность нейронов. Джеймс утверждает, что шага симуляции в 0.1мс достаточно для корректной работы его распознавателя; но он не уточнял, сколько «реального времени» занимает обучение и работа классической нейросети, и сколько — обучение и работа его симулятора. Сам он давно на пенсии, и свободное время он посвящает совершенствованию своих аналоговых нейросхем.
Резюме от tyomitch: представлена модель, основанная на биологических предпосылках, достаточно просто устроенная, и при этом обладающая интересными свойствами, радикально отличающими её от привычных цифровых схем и от нейросетей. Возможно, такие «аналоговые нейроны» станут элементной базой будущих устройств, которые смогут справляться с рядом задач — например, с распознованием образов — не хуже человеческого мозга; точно так же, как цифровые схемы давно превзошли человеческий мозг в способности к счёту.
Как работает наш мозг и как улучшить его работу
Человеческий мозг – самый сложный биологический механизм, регулирующий и координирующий все жизненные функции. Как устроен мозг и на сколько процентов он задействован. Каковы механизмы его работы и как мы можем помочь мозгу работать эффективнее.

Как заставить мозг работать в полную силу
Человеческий мозг называют самым сложным биологическим механизмом, который создала природа. Он регулирует и координирует все жизненные функции человека и контролирует его поведение.
С его работой связаны все мысли и чувства, желания и ощущения. Если мозг перестает функционировать, человек впадает в вегетативное состояние: утрачивает способность что-либо чувствовать, на что-либо реагировать и способность действовать, одним словом – деградирует.
Дать полный ответ, как устроен мозг и как он работает, невозможно. Загадки начинаются с вопроса, как он возник, и заканчиваются вопросами о его связях с невидимым тонким миром Вселенной, которые влияют на глубины человеческого подсознания. Его потенциал вряд ли будет когда-либо раскрыт полностью. Так сложилось, что этот совершенный механизм должен изучать себя сам.
Как устроен человеческий мозг?
Мозг взрослого человека в среднем составляет 1,5 кг – это всего лишь 2% от общего веса тела. (Однако доказано, что уровень ума и интеллекта не зависит от веса мозга.) Его собственные энергетические запасы очень малы, поэтому он очень зависит от снабжения кислородом. Мозг весь пронизан не одной сотней тысяч кровеносных сосудов – таким образом он поглощает 20% кислорода, получаемого легкими.
Если вдруг человеку по каким-то причинам приходится голодать, его мозг страдает в последнюю очередь, поскольку большая часть питательных веществ направляется на поддержание его работы. При потере массы тела на 50% мозг теряет всего 15% веса.
Эти факты говорят о том, что мозг в организме человека занимает привилегированное положение. Он внешнего мира его нежные ткани защищает черепная коробка, внутри же от сотрясений его оберегает спинномозговая жидкость.
Мозг покрыт тонким серым слоем с бороздками и извилинами – это кора головного мозга. Здесь находится его мыслительный центр. Кора представляет собой нервную ткань, состоящую из нескольких миллиардов нейронов, благодаря которым осуществляются прямые и обратные связи – информация от органов чувств поступает в кору, а после обработки отсылается обратно в виде команд для действия разных участков тела.
70% мозга составляют большие полушария – правое и левое. Они соединены мозолистым телом, благодаря которому могут обмениваться информацией. Правое и левое полушария симметричны и представляют собой как бы 2 мозга, каждый из которых руководит своими процессами, и в то же время они помогают друг другу.
Правое и левое полушарие состоят из лобной, теменной, затылочной и височной доли. В каждой из них находятся центры, отвечающие за определенную деятельность: височная – за слух, память и речь; затылочная – за зрительные ощущения, лобная – за двигательную активность, теменная – за телесные ощущения. Под затылочными долями полушарий находится мозжечок, отвечающий за координацию движений и равновесие тела. А под корой головного мозга – таламус, контролирующий внимание и бодрствование, и гипоталамус, регулирующий процессы саморегуляции организма.
Это лишь самое поверхностное описание такого сложнейшего органа, как человеческий мозг. И если с точки зрения физиологии он изучен далеко не полностью, то о том, как происходят в нем мыслительные процессы, известно еще меньше. Людей волнует вопрос: является ли духовная жизнь человека, его мысли, чувства и эмоции следствием физических и химических процессов, происходящих в нем, или это что-то другое – еще не изученное и таинственное
Любопытно, что еще в 19 в. некий архимандрит Борис в своем сочинении «О невозможности чисто физиологического объяснения душевной жизни человека» утверждал, что несмотря на то, что жизнь души является результатом работы мозга, психические явления «имеют свое подлинное бытие вне головного мозга». Однако каким образом, «сие нам неизвестно». С ним соглашаются и люди науки, например физиолог из Англии Ч.Шеррингтон. Он считал, что мысль рождается за пределами материи, но поскольку она возникает в головах людей, они думают, что произвели ее сами.
На сколько процентов работает мозг человека
Ученные не однократно пытались оценить, на сколько работает мозг человека, и в результате их исследований, в прошлом веке, возникло множество ложных теорий. По одной из них считалось, что человек использует только 3% от его потенциала, в то время как другие утверждали, что 15-20 процентов.
Миф о 10% мозга
В 1936 году в предисловии к книге Дэйла Карнеги «Как завоёвывать друзей и оказывать влияние на людей» американский писатель Лоуэлл Томас написал «Профессор Уильям Джеймс говорит, что люди используют лишь 10 процентов своих умственных способностей».
Нейробиолог Барри Гордон характеризует миф как «смехотворно ошибочный», добавляя: «мы используем практически все части мозга, и они активны практически постоянно». Барри Бейерштейн приводит аргументы, опровергающие миф о десяти процентах:
- Исследования повреждений мозга: если 90% мозга обычно не используется, повреждения этих частей не должно влиять на его работу. Практика же показывает, что почти не существует областей, которые могут быть повреждены без потери способностей. Даже небольшие повреждения могут приводить к огромным последствиям.
- Мозг обходится телу довольно дорого в плане потребления кислорода и питательных веществ. Он может требовать до 20% всей энергии тела, при этом составляя лишь 2% массы. Если бы 90% были не нужны, люди с меньшим, более эффективным мозгом имели бы эволюционное преимущество – остальным сложнее было бы проходить естественный отбор. Отсюда также очевидно, что такой большой мозг не мог бы даже появиться, если бы в нём не было потребности.
- Сканирование: технологии вроде позитронно-эмиссионной томографии и функциональной магнитно-резонансной томографии позволяют наблюдать работу живого мозга. Они показали, что даже во время сна в мозге имеется некая активность. «Глухие» зоны появляются лишь в случае сильных повреждений.
- Локализация функций: вместо того, чтобы быть единой массой, мозг делится на отделы, которые выполняют различные функции. На определение функций каждого отдела были потрачены многие годы, и отделений, не выполняющих никаких функций, обнаружено не было.
- Микроструктурный анализ: при регистрации деятельности отдельных нейронов учёные наблюдают за жизнедеятельностью отдельно взятой клетки. Если бы 90% мозга бездействовала, это сразу бы заметили.
- Нейронные заболевания: клетки мозга которые не используются, имеют тенденцию вырождаться. Следовательно, если 90% мозга были бы неактивны, то вскрытие мозга взрослого человека показало бы масштабное вырождение.
Другим аргументом является то, что большой размер мозга требует увеличения черепа, что повышает риск смерти при рождении. Такое давление обязательно избавило бы популяцию от лишнего мозга. Таким образом получается, что мы используем 100% мозга в целом, но для каждой задачи используется свой участок и намного меньше процентов.
Как начинается мыслительная деятельность?
Пытаются разобраться, как работает мозг человека с точки зрения происходящих в нем мыслительных процессов, и современные ученые. Ведь зная, как мозг думает, можно понять, как стимулировать его работу. Итак, чтобы мозг начал думать, в него должна поступить информация, то есть он должен иметь то, о чем думать. Таким образом, начать мыслить означает начать оперировать имеющейся информацией.
Как информация поступает в мозг?
1. Первоначальная информация является сенсорной – она воспринимается от органов чувств, и это то, что мы видим, слышим и ощущаем. Чем сильнее внимание будет сконцентрировано на сенсорных ощущениях, тем больше информации поступит в память. А внимание усиливается, когда человеку что-то интересно. Например, если он постоянно ходит на работу одной и той же дорогой, его мозг как бы уходит в спячку и задействован примерно на 5%. Если же он меняет маршрут, мозг «просыпается», чтобы воспринять новую информацию
2. Такой сенсорный вид информации хранится в памяти совсем недолго, ведь ее поступает довольно много. Мозг должен отделить более важную от менее важной, чтобы более важную переместить из краткосрочной памяти в долгосрочную. Для этого надо, чтобы разные свойства объекта объединились и сложились в образ. Например, чтобы запомнить имя нового знакомого или его телефон, необходимо услышанную и увиденную информацию связать с его внешностью, обстоятельствами встречи и пр.
3. Далее сформировавшийся образ наделяется личностным смыслом. К примеру, у кого-то при виде кошки возникают положительные эмоции, а у кого-то, страдающего аллергией, – отрицательные.
4. Накопленный запас образов и понятий, наделенных личностным смыслом, позволяет осуществлять мыслительные операции, позволяющие проникать вглубь проблемы и решать определенные задачи.
5. Формой мышления является суждение (или высказывание) – мысль о предмете, в которой путем отрицания или утверждения раскрываются его признаки.
6. На основе суждений человек делает умозаключение. Например, увидев утром на улице лужи, он приходит к выводу, что ночью шел дождь.
Как помочь мозгу работать эффективнее?
1. Переработку всей информации: ее получение, проведение и передачу другим клеткам осуществляют нейроны, находящиеся в коре головного мозга. У новорожденного количество нейронов больше, чем у взрослого, но несмотря на это, он практически не умеет ни слышать, ни видеть.
Его глаза видят свет, но его мозг этого не понимает, потому что еще не образовались связи с другими нейронами, чтобы информация поступила дальше – в кору больших полушарий. По мере их образования ребенок будет различать сначала свет, затем силуэты, цвета и пр. Чем разнообразнее и ярче будут предметы вокруг него, тем быстрее образуются такие связи и тем лучше будет работать та часть мозга, которая связана со зрением.
Любопытно, что если по какой-то причине (например, из-за травмы или заболевания) ребенок не будет видеть во младенчестве, то в дальнейшем связи между нейронами в его мозге никогда не образуются и он так и не научится видеть. Его глаза будут здоровые, он будет видеть свет, но останется слепым, потому что нейронные связи, обеспечивающие поступление сигнала в мозг, могут образовываться почти всегда только в детстве.
Это же относится и к слуху и, в меньшей мере, к другим способностям: осязанию, обонянию, способности говорить, ориентироваться и др. То есть, очевидно, существует определенный период, когда образуются нейронные связи, необходимые для развития зрения, слуха и пр.
Таким образом, чтобы заставить мозг эффективно работать, его нужно тренировать с самого детства. Чем мозг моложе, тем он восприимчивей. И чем меньше его нагружать, тем хуже он будет работать. Мы все знаем, что если не тренировать мышцы, то они со временем станут дряблыми и начнут атрофироваться. То же касается и мозга: если его перестать нагружать, клетки, отвечающие за мыслительные процессы, начнут отмирать. У людей, которые тренируют свой мозг, ухудшение его работы отмечается лишь в глубокой старости.
2. Не стоит забывать и о питании – мозг нуждается в продуктах, содержащих жирные кислоты Омега-3 (это жирная морская рыба – лосось, семга, скумбрия, грецкие орехи) (см. «Самые полезные продукты для работы мозга»). А вредны для него продукты, в состав которых входят трансжиры (маргарин, чипсы, крекеры, пирожные и т. п.).
3. Для мозга полезны физические нагрузки, ведь при тренировке тела тренируется и мозг. Достаточно получаса один раз в два дня.
4. Чтобы напрягались не только мышцы, но и мозг, его нужно тренировать играми, требующими запоминания, головоломками, кроссвордами и пр.
5. Для мозга необходим полноценный сон – он использует его для обработки воспоминаний и переноса их в долгосрочную память (см. «Что происходит с мозгом, пока мы спим»).
Мы подготовили специально для вас интересный тест, при помощи которого можно определить, хорошая у вас память или нет.
© Тимошенко Елена, BBF.RU
Интеллектуалы не толстеют. Как работает мозг человека и на что он способен? | ЗДОРОВЬЕ
Мозг человека — самое удивительное, загадочное и малоизученное вещество в мире. У него множество способностей, о которых мы даже не подозреваем. Как сохранить ясный ум до глубокой старости, почему болезней мозга становится больше и чем отличается женский мозг от мужского, «АиФ-Красноярск» рассказала врач-невролог высшей категории Оксана Брюханова.
Наш персональный компьютер
«АиФ-Красноярск», Ксения Орлик: 22 июля отмечается Всемирный день мозга. Учёные подчёркивают важность здоровья этого органа и говорят о его постоянном развитии. В наше время действительно приходится всегда держать мозг в тонусе. Всё так быстро меняется: технологии, гаджеты… А люди от этого становятся умнее?
Оксана Брюханова: Может быть в древние времена у людей мозг и был больше по массе, но скажу: мыслительные функции не зависят от веса. У китов, слонов ведь мозг огромный, но они не умнее людей. А вот человечество, конечно, со временем развивается, соответственно и люди становятся умнее.
Вместе с тем плохая экология, режим, питание отрицательно влияют на работу мозга. Учёные доказали, что при регулярном недосыпе происходят необратимые процессы. Клетки не восстанавливаются. Студенты прекрасно помнят: когда ночь погуляешь, утром очень тяжело привести в порядок мысли. Нарушается микроциркуляция и обменные процессы в головном мозге.
Головной мозг — это персональный компьютер человека. Именно он отдаёт команды на выполнение всех функций организма. Каждый отдел отвечает за своё направление. В передний входят промежуточный мозг и большое полушарие. Первое отвечает за работу внутренних органов, вегетативные функции, обмен веществ, регулирование температуры тела, дыхание, чувство жажды, голода. Большое полушарие разделено на два отдела: правое и левое. Кстати, левое регулирует правую сторону тела, а правое — левую.
Средняя часть соединяет переднюю и заднюю, отвечает за функции зрительных и слуховых органов. Задняя — это мозжечок, поддерживающий позу тела, координацию, движения. А продолговатый мозг в задней части регулирует кровеносную, дыхательную, пищеварительную системы.

— Головная боль — одна из самых распространённых проблем со здоровьем на планете. Хотя бы раз в месяц голова болит практически у любого человека. Это нормально?
— Головная боль бывает разной. Ноющая, стреляющая, тупая, распирающая. Могут болеть лоб, виски, затылок. Вместе с тем немеют руки, человек может потерять сознание. Чаще всего люди испытывают боль от напряжения. Это характерно для офисных работников, постоянно сидящих за компьютером. Нужно делать перерывы, дыхательную гимнастику. А если боль регулярная, то следует измерить давление, оно, скорее всего, высокое или низкое. Иногда головная боль маскирует другие заболевания, поэтому необходимо обратиться к врачу.
— Сегодня от болезни Паркинсона страдают порядка 10 млн человек. Что это за бич XXI века?
— Да, заболеваний головного мозга очень много — это и опухоли головного мозга и энцефалопатия, болезнь Альцгеймера, мигрень, инсульты и, в частности, болезнь Паркинсона. Это только кажется, что люди стали больше страдать болезнями головного мозга. На самом деле эти заболевания были и раньше. Просто раньше врачи не всегда могли правильно поставить диагноз. Сейчас есть современное оборудование, разработано много новых методик лечения. К примеру, диагностику МРТ лет 20 назад можно было сделать даже в таком крупном городе как Красноярск только в одном месте. А теперь это обследование доступно каждому. Появляются новые препататы для лечения данных заболеваний. Это очень радует.
Общаясь с коллегами из разных регионов, я сделала вывод, что чем больше город и эмоциональная нагрузка на человека, тем больше заболеваний невротического плана. Если Красноярск сравнивать с деревней, быт здесь напряжённый, но если с Москвой — город вполне приемлем для качественной здоровой жизни.
Спорт и интеллект заодно
— Большинство долгожителей занимаются интеллектуальной деятельностью. В пожилом возрасте продолжают читать, изучать. Значит ли это, что нужно всю жизнь тренировать мозг, чтобы в старости иметь ясный ум?
— Пик развития головного мозга — три года. Но тренируем мы его в течение всей нашей жизни. Пожилым людям полезно считать, учить стихи, разгадывать кроссворды.
Представьте: в мозге около 86 млрд нейронов. Они формируют сложные электрические импульсы, которые контролируют деятельность всего организма. И чем плотнее связи, тем выше интеллект. Мозг пластичен, он постоянно меняется из-за образования новых связей, и, к слову, не только от изучения стихов и прочего. Физические нагрузки тоже важны. Регулярные пробежки, тренировки улучшают умственное здоровье. Люди с низким показателем интеллекта чаще страдают от болезней мозга. А интеллектуалы, ко всему прочему, не склонны к полноте.

— Учёные придерживаются мнения, что мозг мы используем на все сто процентов. Когда ребёнок рождается, у него есть даже лишние клетки, которые со временем погибают. Я не согласна с теми, кто говорит, что наши дети слишком загружены в школе. Чем больше мы нагружаем ребёнка необходимыми знаниями, тем лучше. И мы не можем исключить случаи, когда, к примеру, человека ударила молния и он стал писать стихи, ушибся головой — начал играть на фортепиано. Это наталкивает на мысль, что у мозга всегда есть потенциал. Он ещё малоизучен.
Сладкий допинг
— У кого всё-таки больше серого вещества — у мужчин или женщин?
— У мужчин мозг больше, чем у женщин, в среднем на 8-13%. Однако женщины используют его ресурсы более рационально. Учёные исследовали гиппокамп — участок головного мозга человека, отвечающий за формирование эмоций и умственных способностей. Женский гиппокамп при меньшем объёме выполняет функции более эффективно. Это происходит за счёт увеличения количества связей между нейронами.
И, кстати, мозг на самом деле не серый, а разноцветный. Серого цвета его кора, там расположены клетки-нейроны. А окружающее вещество — аксоны — белое. Кроме этого, кровеносные сосуды придают ему розовый оттенок. В среднем вес мозга составляет 2% от массы тела — 1200-1500 г — и имеет желеобразную консистенцию.
— Правда ли, что шоколад благотворно влияет на работу мозга? Какие ещё продукты полезны?
— Пища играет огромную роль в работе мозга. Прослеживается прямая связь между правильным питанием и нашими способностями. Мозг использует 20-30% всех калорий, которые мы получаем.
Ещё он состоит на 75% из воды, поэтому обезвоживание поднимает гормональный уровень, усиливает напряжение. Выпивать нужно 1,5 литра воды в день. Очень важна рыба. Полиненасыщенные жирные кислоты и кислоты группы Омега три регулируют уровень холестерина и улучшают работу сосудов. Их нехватка приводит к снижению памяти. Что касается углеводов, сейчас популярны вегетарианские диеты, когда люди себя ограничивают в мясе, рыбе, сладостях, яйцах. Я считаю, нельзя так питаться. Головной мозг любит именно всё сладкое и жирное. Но и сложные углеводы нужны — каши, хлеб, макароны. Конечно, фрукты, богатые антиоксидантами, ягоды, орехи.
Про шоколад — правда. Даже запах шоколада улучшает настроение. Шоколад имеет в составе антиокислители, эти вещества эффективно защищают клетки мозга от старения и заболеваний. Сахар активизирует серотонин. А жиры оказывают успокаивающее действие.
Интересные факты:
• При употреблении алкоголя происходит ослабление связей между нейронами.
• Обычный смех требует работы пяти различных областей мозга.
• Без кислорода мозг человека живёт не более 6 минут, а затем начинают происходить необратимые процессы — массовая гибель нервных клеток.
• Скорость передачи сигналов между нейронами мозга достигает 288 км/ч. С возрастом скорость падает на 5-20%.
• Изучение языков — лучший способ комплексно развивать головной мозг. При запоминании и повторении слов задействовано максимальное количество нейронов.
• Самый высокий средний показатель IQ у населения принадлежит Японии — 110.
36 странных и интересных фактов о человеческом мозге
Каждый день исследователи узнают что-то новое о том, как работает мозг. Сфера нейробиологии все еще находится в зачаточном состоянии, но быстро развивается, превращая вчерашние мозговые факты в сегодняшние мозговые мифы.
Наш мозг позволяет нам думать, создавать и чувствовать. И получать, хранить и извлекать воспоминания. Для того, чтобы углубиться в ваш разум, мы собрали некоторые самые интересные факты о мозге, подкрепленные наукой. Некоторые заставят вас остановиться и подумать, а некоторые наполнят вас благоговением. Здесь мы начинаем …
1. Ваш мозг делает творческую работу лучше, когда вы устали. Это может звучать безумно, но на самом деле имеет смысл, когда вы смотрите на причину этого.
Если вы пытаетесь сделать какую-то инновационную работу, вам на самом деле повезет больше, когда ваш мозг не функционирует эффективно или когда вы более устали. В этом случае ваш мозг не способен отфильтровать отвлечения и сосредоточиться на конкретной задаче. Это также должно помнить связи между понятиями и идеями.
Это хорошо, когда речь заходит об инновационной работе, поскольку такая работа требует от нас налаживания новых связей, открытости для новых идей и мышления по-новому. Поэтому усталый мозг гораздо полезнее для нас при работе над творческими проектами. Это одна из причин, по которой прекрасные идеи застряли в душе после долгого беспокойного дня.
2. Ваш мозг в любви: Исследователь Хелен Фишер провела свою академическую жизнь, пытаясь выяснить, что происходит в мозгах тех, кто страстно влюблен. Она обнаружила, что, когда они фокусируются на объекте своей привязанности, начинает светиться целый ряд частей мозга.
Она обнаружила, что хвостатый (часть примитивного мозга рептилий) очень активен у этих влюбленных людей. Загораются участки мозга, связанные с продукцией дофамина и норэпинефрина . Оба химических связаны с волнением и приятной деятельностью. Вот почему влюбленные говорят всю ночь или гуляют до рассвета, меняют работу или образ жизни, даже умирают друг за друга.
3. Стресс может изменить размер вашего мозга: некоторые исследования показали признаки уменьшения размера мозга из-за стресса. Довольно страшно думать, что длительный стресс может повлиять на наш мозг в долгосрочной перспективе.
Исследование показало, что у крыс, которые подвергались хроническому стрессу, гиппокампы (неотъемлемая часть формирования памяти) в их мозге фактически сокращались.
Другое исследование было проведено на обезьянах, которые были удалены от своих матерей и о которых заботились их сверстники в течение 6 месяцев. Области их мозга, связанные со стрессом, все еще были увеличены, даже после того, как они находились в нормальных социальных условиях в течение нескольких месяцев.
4. Части мозга: если вы разрезаете мозг человека посередине, у вас остаются два полушария коры головного мозга. Каждое полушарие содержит 4 доли: лобную, височную, теменную и затылочную доли. Они специализируются на выполнении определенных действий, например, лобная доля помогает вам принять решение, а затылочная доля специализируется на зрении. Более того, в мозгу есть более глубокие структуры, такие как лимбическая система, что имеет решающее значение для долговременной памяти.
5. Для мозга невозможно многозадачность: большинство людей думают, что они могут выполнять две или более задач одновременно, но оказывается, что многозадачность на самом деле невозможна для человеческого разума. То, что мы делаем, называется переключением контекста — быстрое переключение между различными действиями, а не выполнение их одновременно.
6. Сон улучшает работу мозга: мы все знаем, насколько важен сон для нашего мозга, но как насчет сна? Череда коротких вспышек сна действительно полезна, и они могут повысить производительность мозга. Это помогает улучшить силу памяти и делает обучение лучше.
Согласно последним исследованиям, правая сторона мозга гораздо более активна во время дремоты, чем левая. Хотя 95% населения являются правшами, причем левая сторона их мозга является наиболее доминирующей, правая сторона всегда является более активным полушарием во время сна.
Таким образом, в то время как левая сторона мозга отнимает некоторое время, правая сторона очищает ваши временные области хранения, помещая некоторую информацию в долговременное хранилище, укрепляя ваши воспоминания от дня.
7. Трепанация: это старое хирургическое вмешательство, при котором в человеческий череп просверливают или скребут отверстие, чтобы лечить болезненную головную боль, болезнь мозга или выпустить «злой дух» из головы. Инструмент, называемый трепаном , используется для вырезания круглой части кости черепа, и этот процесс чрезвычайно болезненный.
8. У мозга есть центр удовольствия: он позволяет нам узнать, когда что-то доставляет удовольствие, и усиливает желание снова выполнить то же самое приятное действие. Это известно как схема вознаграждения, которая включает в себя все виды удовольствий, от секса до смеха и конкретных видов употребления наркотиков.
9. Интроверсия и экстраверсия являются результатом разной проводки в мозге: существует разница в мозгах интровертов и экстравертов. Разница заключается в том, как они обрабатывают стимулы. Стимуляция, поступающая в наш мозг, обрабатывается по-разному в зависимости от личности. Для интровертов стимулы проходят длинный и сложный путь в областях мозга, связанных с планированием, запоминанием и решением проблем.
С другой стороны, для экстравертов путь намного короче. Он проходит через область, где происходит обработка вкуса, осязания, визуального и слухового восприятия. Более того, различие в системе допамина в мозгу экстраверта подталкивает их к поиску новизны, риску, наслаждению незнакомыми или удивительными ситуациями больше, чем другие.
10. Заставьте свой мозг думать, что время идет медленно: вы можете заставить свой мозг думать, что время движется медленнее, делая новые вещи. Когда мы получаем большое количество новой информации, нашему мозгу требуется время, чтобы все это обработать. Чем дольше длится эта обработка, тем дольше ощущается этот период времени. Например, опасная для жизни или случайная заболеваемость заставляет нас действительно уделять внимание, поэтому мы запоминаем время дольше, потому что записываем больше опыта.
С другой стороны, если мозгу нечего обрабатывать, кажется, что время движется быстрее. То же самое время на самом деле будет казаться короче, чем в противном случае. Обычно это происходит, когда вы берете много знакомой информации, потому что вы обрабатывали ее раньше.
11. Извилины делают нас умными: поверхность человеческого мозга извилистая из-за глубоких трещин, гребней, называемых извилинами , более мелких бороздок, называемых бороздками. Эта поверхность известна как кора головного мозга и содержит около 100 миллиардов нервных клеток. Согнутая извилистая поверхность позволяет мозгу упаковываться в большей площади, и, таким образом, обрабатывать больше энергии.
12. Запах шоколада делает мозговые волны буйными: запах шоколада усиливает тета-мозговые волны, что вызывает расслабление. Он также усиливает альфа- и бета-волновую активность — альфа чаще всего наблюдается у расслабленного, но бодрствующего взрослого, тогда как бета наблюдается, когда люди делают что-то вроде умственной арифметики.
13. Все клетки головного мозга не похожи друг на друга: хотя в головном мозге насчитывается 10 000 специфических типов нейронов, обычно существует три общих типа нейронов: сенсорные нейроны для передачи сенсорной информации, моторные нейроны для передачи моторной информации и интернейроны для передачи информации между разные типы нейронов.
14. Большинство клеток мозга не являются нейронами: нейроны составляют только 10 процентов наших мозговых клеток. Остальные 90 процентов, на которые приходится половина веса мозга, называются Гила (в переводе с греческого означает «клей»). Роль этих невоспетых клеток варьируется от зачистки избыточных нейротрансмиттеров до обеспечения иммунной защиты до фактического стимулирования и модуляции роста и функционирования синапсов (связи между нейронами).
15. Новые мозговые связи создаются каждый раз, когда вы формируете память. В человеческом мозге триллионы синапсов, образующих гибкую и сложную сеть, которая позволяет нам вести себя, чувствовать и думать. Ухудшение синапсов из-за нейротоксинов или заболеваний связано с когнитивными проблемами, изменением настроения и потерей памяти.
16. Мозг никогда не перестает меняться: исследование 2007 года на примере пациента с инсультом показывает, что взрослый мозг может быть способен создавать новые нервные пути, как и у детей. Зрительный центр взрослого мозга может распознавать себя нервно, преодолевая поврежденные пути и приводя к улучшению зрительного восприятия. Более того, исследования в области медитации показали, что энергичные умственные тренировки могут изменить как структуру, так и функцию мозга.
17. Мужской и женский мозг схожи: хотя мужские и женские гормоны влияют на развитие мозга по-разному, и исследования изображений обнаружили разницу в том, как мужчины и женщины чувствуют боль, справляются со стрессом и принимают социальные решения, степень, в которой эти различия являются генетическими или сформированными опытом, неизвестна.
Исследование, опубликованное в Психологическом бюллетене (январь 2010 года), проанализировало около полумиллиона девочек и мальчиков из 69 стран и не обнаружило общего разрыва в математических способностях.
18. Люди, которые совершают ошибки, более симпатичны: согласно эффекту Пратфолла , воспринимаемая привлекательность человека увеличивается или уменьшается после того, как он совершает ошибку. По сути, те, кто никогда не делают ошибок, воспринимаются как менее привлекательные и симпатичные, чем те, кто совершает случайные ошибки.
19. Средний мозг взрослого человека весит от 1,2 кг до 1,4 кг , или около 2% веса тела, с объемом около 1130 см куб у женщин и 1260 см куб у мужчин. Из этого, сухой вес составляет 60% жира, что делает ваш мозг самым жирным органом. Около 80% содержимого вашего черепа составляет мозг, а остальное — жидкость, которая буферизует нервную ткань, и спинномозговая жидкость. Если бы вы смешали всю эту мозговую жидкость и кровь, это составило бы около 1,7 литра.
20. Полтора часа потливости могут временно уменьшить мозг на год старения. Час с половиной минут потоотделения могут временно сжать мозг так же сильно, как год старения. Исследователи из Института психиатрии Королевского колледжа Лондона изучали мозг подростков после 90 минут езды на велосипеде. Они обнаружили, что чрезмерно одетые велосипедисты потеряли около 1 кг пота, а их мозговая ткань уменьшилась. Более того, только 5 минут без кислорода могут привести к повреждению мозга .
21. Человеческий мозг не твердый: он мягкий и мягкий, похожий на мягкий желатин, и он очень хрупкий. Когда хирурги выполняют гемисферэктомию (процедура используется для лечения различных судорожных расстройств), они удаляют / отключают половину мозга, чтобы остановить судороги.
22. Емкость для хранения мозга. Мозг содержит около 1 миллиарда нейронов, и каждый нейрон образует около 1000 соединений с другими нейронами. Они объединяются так, что каждый из них помогает со многими воспоминаниями одновременно, экспоненциально увеличивая объем памяти мозга до 2,5 петабайт (если быть точным). Это означает, что ваш мозг может хранить 3 миллиона часов телешоу. Вам придется оставить телевизор включенным более чем на 300 лет, чтобы использовать все это хранилище.
23. Память — это больше деятельность, чем место: определенная память деконструируется и распределяется в разных частях нашего мозга. Когда вы вспоминаете это, оно восстанавливается из отдельных фрагментов.
24. Мозговая сила: Человеческий мозг требует 20% от нашей скорости метаболизма в покое ( RMR ) — общее количество энергии тела расходуется за один день бездействия. Если средняя скорость метаболизма в состоянии покоя составляет 1300 калорий, то мозг поглощает 260 из этих калорий только для того, чтобы навести порядок.
1300 ккал в сутки = 54,16 ккал в час
15.04 ккал в час = 15.04 грамм калорий в секунду = 62.93 джоулей в секунду
62,93 джоулей в секунду = 63 Вт (приблизительно)
20 процентов от 63 Вт = 12,6 Вт
Это означает, что ваш мозг вырабатывает около 12 Вт электроэнергии. Это может увеличиться до 25 Вт, если ваш мозг работает над какой-то интенсивной / сложной задачей. Этого достаточно для питания светодиодной лампы низкой мощности.
25. Клетки мозга каннибализируют себя: когда вы не едите, вызывающие чувство голода нейроны в мозге начинают поедать кусочки себя. Этот акт самоуничтожения вызывает сигнал голода, чтобы побудить к еде. Это объясняет, почему так сложно придерживаться диеты.
26. Мы используем 100% нашего мозга. Многие люди, включая Альберта Эйнштейна, ошибочно приписывают, что мы используем только 10% нашего мозга. Правда в том, что мы используем практически каждую часть мозга, и большинство частей остаются активными все время (включая время сна). Большинство клеток используются для контроля бессознательных действий, таких как сердечный ритм, сновидения и т. д.
Кроме того, не существует такого понятия, как правое полушарие или левое полушарие. Мы не правы или левые? мы «весь мозг».
27. Алкоголь влияет на память: алкоголь в первую очередь нарушает способность образовывать новые длинные воспоминания. С увеличением количества потребляемого алкоголя увеличивается и степень ухудшения памяти. Если вы пили и не помните, что случилось прошлой ночью, это не потому, что вы забыли. Алкоголь в теле сделал ваш мозг неспособным формировать воспоминания.
28. Резервный мозг: мозг в твоей голове — не единственный мозг. В вашем желудке есть «вторичный мозг», который влияет на ваше настроение, то, что вы едите, виды заболеваний, которые вы получаете, а также решение, которое вы принимаете. Он содержит 100 000 нейронов, а кишечные бактерии ответственны за создание более 30 нейротрансмиттеров, включая серотонин «счастливая молекула».
29. История мозга Альберта Эйнштейна. Перед смертью Эйнштейн попросил полностью кремировать его тело. Но Томас Харви, патолог Принстонского университета, удалил свой мозг во время аутопсии и держал его в банке в подвале в течение 40 лет. Он разрезал мозг на кусочки и отправил разным ученым для разных исследований. В 1999 году они обнаружили, что мозг Эйнштейна имел необычные складки на теменной доле, часть мозга, связанная с математическими и пространственными способностями. Кроме того, определенные части его мозга имели больше глиальных клеток по отношению к нейронам.
30. Мозг растет с невероятной скоростью во время развития — 250 000 нейронов добавляются каждую минуту. К возрасту 2 года мозг составляет около 80% от взрослого размера.
31. Мозговая информация распространяется с разной скоростью внутри различных типов нервных клеток. Эти сигналы могут перемещаться так же медленно, как около 1,5 км в час или так же быстро, как около 430 км в час . Кроме того, нервные клетки могут передавать 1000 нервных импульсов в секунду.
32. 4-му самому мощному суперкомпьютеру в мире (разработанному Японией) потребовалось 40 минут, чтобы имитировать всего одну секунду активности человеческого мозга. Компьютер имеет 705 024 процессорных ядра и 1,4 миллиона ГБ оперативной памяти. В настоящее время не существует компьютера, который мог бы выполнять симуляцию деятельности органа в режиме реального времени, но Intel заявила, что намерена запустить такую машину к 2019 году.
33. По данным Всемирной организации здравоохранения, длительное использование мобильного телефона значительно увеличивает риск опухолей головного мозга. Тем не менее, баланс современных научных данных свидетельствует о том, что воздействие радиоволн ниже уровней, установленных в международных руководствах, не вызывает проблем со здоровьем для населения в целом.
34. Человеческий мозг также является радиопередатчиком, который посылает измеряемую электрическую волну. Фактически, он продолжает посылать эти сигналы в течение 37 часов после смерти.
35. Хотя в вашем мозгу обрабатываются любые виды боли, в вашем мозгу нет болевых рецепторов и он не чувствует боли. Это просто инструмент, который мы используем, чтобы обнаружить боль. Это объясняет, как можно проводить операции на головном мозге, когда пациент бодрствует без дискомфорта или боли.
36. Средний мозг генерирует от 25 000 до 50 000 мыслей в день. Подсчитано, что у большинства людей 70% этих мыслей являются отрицательными. Кроме того, более 100 000 химических реакций происходят в вашем мозгу каждую секунду.
строение и функции, общее описание
Головной мозг — это главный контролирующий орган центральной нервной системы (ЦНС), над изучением его строения и функций уже более 100 лет трудятся большое количество специалистов различных направлений, таких как психиатрия, медицина, психология и нейрофизиология. Несмотря на хорошее изучение его структуры и составляющих, остается еще много вопросов о работе и процессах, проходящих ежесекундно.
Где расположен головной мозг
Головной мозг относится к центральной нервной системе и расположен в полости черепной коробки. Снаружи он надежно защищен костями черепа, а внутри заключен в 3 оболочки: мягкую, паутинную и твердую. Между этими оболочками циркулирует спинномозговая жидкость — ликвор, которая служит амортизатором и предотвращает сотрясение этого органа при небольших травмах.
Головной мозг человека представляет собой систему, состоящую из связанных между собой отделов, каждая часть которых отвечает за выполнение конкретных задач.
Для понимания функционирования недостаточно кратко описать головной мозг, поэтому, чтобы понять как он работает, для начала нужно детально изучить его строение.
За что отвечает головной мозг
Этот орган, как и спинной мозг, относятся к центральной нервной системе и исполняет роль посредника между окружающей средой и организмом человека. С его помощью осуществляется самоконтроль, воспроизведение и запоминание информации, образное и ассоциативное мышление, и другие когнитивные психологические процессы.
Согласно учению академика Павлова, образование мысли — функция мозга, а именно коры больших полушарий, которые является высшими органами нервной деятельности. За разные виды памяти отвечают мозжечок, лимбическая система и некоторые участки коры головного мозга, но так как память бывает разной, невозможно выделить какой-то определенный участок, отвечающий за эту функцию.
Он отвечает за управление вегетативных жизненно важных функций организма: дыхание, пищеварение, эндокринная и выделительная системы, контроль температуры тела.
Чтобы ответить на вопрос какую функцию выполняет головной мозг, для начала следует условно поделить его на участки.
Специалисты выделяют 3 основные части головного мозга: передний, средний и ромбовидный (задний) отдел.
- Передний выполняет высшие психиатрические функции, такие как способность к познанию, эмоциональная составляющая характера человека, его темперамент и сложные рефлекторные процессы.
- Средний отвечает за сенсорные функции и обработку поступившей информации от органов слуха, зрения и осязания. Центры, находящиеся в нем, способны регулировать степень болевых ощущений, так как серое вещество при определенных условиях, способно вырабатывать эндогенные опиаты, которые повышают или понижают болевой порог. Также он играет роль проводника между корой и нижележащими отделами. Эта часть управляет телом посредством различных врожденных рефлексов.
- Ромбовидный или задний отдел, отвечает за тонус мышц, координацию тела в пространстве. Через него осуществляется целенаправленное движение различных групп мышц.
Устройство головного мозга нельзя просто кратко описать, поскольку каждая из его частей включает несколько отделов, каждый из которых выполняет определенные функции.
Как выглядит мозг человека
Анатомия головного мозга сравнительно молодая наука, так как длительное время находилась под запретом из-за законов, запрещающих вскрытие и исследование органов и головы человека.
Изучение топографической анатомии мозгового отдела в области головы, нужно для точной диагностики и успешной терапии различных топографических анатомических нарушений, например: травм черепа, сосудистых и онкологических заболеваний. Чтобы представить, как выглядит ГМ человека, для начала необходимо изучить их внешний вид.
По внешнему виду ГМ представляет собой студенистую массу желтоватого цвета, заключенную в защитную оболочку, как и все органы человеческого тела, они состоят на 80% из воды.
Большие полушария занимают практически объем этого органа. Они покрыты серым веществом или корой — высшим органом нервно психической деятельности человека, а внутри — из белого вещества, состоящего из отростков нервных окончаний. Поверхность полушарий имеет сложный рисунок, из-за идущих в разные стороны извилин и валиков между ними. По этим извилинам принято делить их на несколько отделов. Известно, что каждая из частей выполняет определенные задачи.
Для того чтобы понять, как выглядят мозги человека, недостаточно исследовать их внешний вид. Существует несколько методик изучения, которые помогают изучить головной мозг изнутри в разрезе.
- Сагиттальный разрез. Представляет собой продольный разрез, который проходит через центр головы человека и делит его на 2 части. Является наиболее информативным методом исследования, с его помощью диагностируют различные заболевания этого органа.
- Фронтальный разрез головного мозга выглядит как поперечный разрез больших долей и позволяет рассмотреть свод, гиппокамп и мозолистое тело, а также гипоталамус и таламус, контролирующие жизненно важные функции организма.
- Горизонтальный разрез. Позволяет рассмотреть строение этого органа в горизонтальной плоскости.
Анатомия мозга, также как анатомия головы и шеи человека, достаточно трудный объект для изучения по ряду причин, в том числе из-за того, что для их описания требуется изучить большое количество материала и иметь хорошую клиническую подготовку.
Как устроен мозг человека
Ученые всего мира изучают головной мозг, его строение и функции, которые он выполняет. За последние несколько лет сделано много важных открытий, однако, эта часть тела остается изученной не до конца. Это явление объясняется сложностью изучения строения и функций головного мозга отдельно от черепной коробки.
В свою очередь, строение структур мозга обуславливает функции которые выполняют его отделы.
Известно, что этот орган состоит из нервных клеток (нейронов), соединенных между собой пучками нитевидных отростков, но как происходит одномоментно их взаимодействие в качестве единой системы непонятно до сих пор.
Исследовать отделы и оболочки поможет схема строения головного мозга, основанная на изучении сагиттального разреза черепной коробки. На этом рисунке можно рассмотреть кору, медиальную поверхность больших полушарий, структуру ствола, мозжечка и мозолистого тела, которое состоит из валика, ствола, колена и клюва.
ГМ надежно защищен снаружи костями черепа, а внутри 3 мозговыми оболочками: твердой паутинной и мягкой. Каждая из них имеет собственное устройство и выполняет определенные задачи.
- Глубокая мягкая оболочка охватывает и спинной, и головной мозг, при этом заходит во все щели и борозды больших полушарий, а в ее толще находятся кровеносные сосуды, питающие этот орган.
- Паутинная оболочка отделена от первой подпаутинным пространством, заполненным ликвором (цереброспинальная жидкость), в нем также расположены кровеносные сосуды. Эта оболочка состоит из соединительной ткани, от которой отходят нитевидные ветвистые отростки (тяжи), они вплетаются в мягкую оболочку и с возрастом их количество увеличивается, тем самым упрочняя связь. Между ними. Ворсинистые выросты паутинной оболочки выпячиваются в просвет синусов твердой мозговой оболочки.
- Твердая оболочка или пахименинкс, состоит соединительно-тканного вещества и имеет 2 поверхности: верхнюю, насыщенную кровеносными сосудами и внутреннюю, которая гладкая и блестящая. Этой стороной пахименинкс прилегает к мозговому веществу, а внешней – черепной коробке. Между твердой и паутинной оболочкой существует узкое пространство, заполненное незначительным количеством жидкости.
В мозгах здорового человека циркулирует около 20% всего объема крови, которая поступает через задние мозговые артерии.
Мозг визуально можно разделить на 3 основные части: 2 большие полушария, ствол и мозжечок.
Серое вещество образует кору и покрывает поверхность больших полушарий, а его небольшое количество в виде ядер находится в продолговатом мозге.
Во всех мозговых отделах есть желудочки, в полости которых перемещается ликвор, который образуется в них. При этом жидкость из 4 желудочка попадает в подпаутинное пространство и омывает его.
Развитие мозга начинается еще во время внутриутробного нахождения плода, а окончательно он формируется к 25-летнему возрасту.
Основные отделы головного мозга


картинка кликабельна
Из чего состоит головной мозг и изучить состав мозга обычного человека можно по картинкам. Строение головного мозга человека можно рассматривать несколькими способами.
Первый делит его на составляющие, из которых состоит головной мозг:
- Конечный, представлен 2 большими полушариями, объединенных мозолистым телом;
- промежуточный;
- средний;
- продолговатый;
- задний граничит с продолговатым мозгом, от него отходит мозжечок и мост.
Также можно выделить основной состав мозга человека, а именно в него входят 3 большие структуры, которые начинают развиваться еще во время эмбрионального развития:
- ромбовидный;
- средний;
- передний мозг.
В некоторых учебных пособиях кору головного мозга принято делить на отделы, так, чтобы каждый из них играла определенную роль в высшей нервной системе. Соответственно выделяют следующие отделы переднего мозга: лобную, височную, теменную и затылочную зону.
Большие полушария
Для начала рассмотрим строение полушарий головного мозга.
Конечный мозг человека руководит всеми жизненно важными процессами и разделен центральной бороздой на 2 больших полушария головного мозга, покрытых снаружи корой или серым веществом, а внутри состоят из белого вещества. Между собой в глубине центральной извилины они объединены мозолистым телом, которое служит соединяющим и передающим информацию звеном между другими отделами.
Строение серого вещества сложно составное и в зависимости от участка состоит из 3 или 6 слоев клеток.
Каждая доля отвечает за выполнение определенных функций и координирует движение конечностей со своей стороны, например, правая часть обрабатывает невербальную информацию и отвечает за пространственную ориентацию, когда как левая специализируется на мыслительной деятельности.
В каждом из полушарий специалисты выделяют 4 зоны: лобную, затылочную, теменную и височную, они выполняют определенные задачи. В частности, теменная часть коры больших полушарий отвечает за зрительную функцию.
Наука, изучающая детальное строение коры больших полушарий головного мозга, называется архитектоникой.
Продолговатый мозг
Этот отдел входит в состав ствола головного мозга и служит связующим звеном спинного с мостом конечного отдела. Так как является переходным элементом, сочетает в себе черты спинного и особенности строения головного мозга. Белое вещество этого отдела представлено нервными волокнами, а серое — в виде ядер:
- Ядро оливы, является дополняющим элементом мозжечка, отвечает за равновесие;
- Ретикулярная формация связывает все органы чувств с продолговатым мозгом, частично отвечает за работу некоторых отделов нервной системы;
- Ядра нервов черепа, к ним относятся: языкоглоточный, блуждающий, добавочный, подъязычный нервы;
- Ядра дыхания и кровообращения, которые связаны с ядрами блуждающего нерва.
Такое внутреннее строение обусловлено функциями ствола головного мозга.
Он отвечает за защитные реакции организма и регулирует жизненно важные процессы, такие как сердцебиение и кровообращение, поэтому повреждение этой составляющей приводит к мгновенной смерти.
Варолиев мост
В состав головного мозга входит варолиев мост, он служит связующим звеном между корой больших полушарий, мозжечком и спинным мозгом. Состоит из нервных волокон и серого вещества, кроме того, мост служит проводником главной артерии, питающей головной мозг.
Средний мозг
Эта часть имеет сложное строение и состоит из крыши, среднемозговой части покрышки, Сильвиева водопровода и ножек. В нижней части граничит с задним отделом, а именно с варолиевым мостом и мозжечком, а вверху его расположен промежуточный мозг, соединенный с конечным.
Крыша состоит из 4 холмов, внутри которых расположены ядра, они служат центрами восприятия информации полученной от глаз и органов слуха. Таким образом, эта часть входит в зону, отвечающую за получение информации, и относится к древним структурам, составляющих строение мозга человека.
Мозжечок
Мозжечок занимает практически всю заднюю часть и повторяет основные принципы строения мозга человека, то есть состоит из 2 полушарий и непарного образования соединяющего их. Поверхность долек мозжечка покрыта серым веществом, а внутри они состоят из белого, кроме этого, серое вещество в толще полушарий образует 2 ядра. Белое вещество с помощью трех пар ножек соединяет мозжечок со стволом головного и спинного мозга.
Этот мозговой центр является ответственным за координацию и регулировку двигательной активности мышц человека. Также с его помощью осуществляется поддержание определенной позы в окружающем пространстве. Отвечает за мышечную память.
Кора
Строение коры головного мозга достаточно неплохо изучено. Так, она представляет собой сложную слоистую структуру 3—5 мм в толщину, которая покрывает белое вещество больших полушарий.
Кору образуют нейроны с пучками нитевидных отростков, афферентные и эфферентные нервные волокна, глии (обеспечивают передачу импульсов). В ней выделяют 6 слоев, разных по структуре:
- зернистый;
- молекулярный;
- наружный пирамидальный;
- внутренний зернистый;
- внутренний пирамидальный;
- последний слой состоит из веретено видных клеток.
Она занимает около половины объема полушарий, а ее площадь у здорового человека составляет около 2200 кв. см. Поверхность коры испещрена бороздами, в глубине которых залегает треть всей ее площади. Величина и форма борозд обоих полушарий строго индивидуальна.
Кора сформировалась сравнительно недавно, но является центром всей высшей нервной системы. Специалисты выделяют в ее составе несколько частей:
- неокортекс (новая) основная часть охватывает более 95%;
- архикортекс (старая)– около 2%;
- палеокортекс (древняя) – 0,6%;
- промежуточная кора, занимает 1,6% от всей коры.
Известно, что локализация функций в коре зависит от места расположения нервных клеток, улавливающих один из видов сигналов. Поэтому выделяют 3 основные области восприятия:
- Сенсорная.
- Двигательная.
- Ассоциативная.
Последний район занимает более 70% коры, а ее центральное предназначение — согласовывать активность двух первых зон. Также она отвечает за получение и переработку данных из сенсорной зоны, и целенаправленное поведение, вызванное этой информацией.
Между корой больших полушарий и продолговатым мозгом находится подкорка или по-другому — подкорковые структуры. В ее состав входят зрительные бугры, гипоталамус, лимбическая система и другие нервные узлы.
Основные функции отделов головного мозга
Главные функции головного мозга заключаются в переработке данных полученных из окружающей среды, а также контроле движений тела человека и его мыслительной деятельности. Каждый из отделов мозга отвечает за выполнение определенных задач.
Продолговатый мозг контролирует выполнение защитных функций организма, таких как моргание, чиханье, кашель и рвота. Также он управляет другими рефлекторными жизненно важными процессами — дыхание, секреция слюны и желудочного сока, глотание.
С помощью Варолиева моста осуществляется скоординированное движение глаз и мимических морщин.
Мозжечок контролирует двигательную и координационную активность организма.
Средний мозг представлен ножкой и четверохолмием (два слуховых и два зрительных бугра). С его помощью осуществляется ориентации в пространстве, слух и четкостью зрения, отвечает за мышцы глаз. Отвечает за рефлекторный поворот головы в сторону раздражителя.
Промежуточный мозг состоит из нескольких частей:
- Таламус отвечает за формирование чувств, например, боль или вкус. Кроме того, он заведует тактильными, слуховыми, обонятельными ощущениями и ритмами жизнедеятельности человека;
- Эпиталамус состоит из эпифиза, который контролирует суточные биологические ритмы, разделяя световой день на время бодрствования и время здорового сна. Обладает способностью обнаруживать световые волны сквозь кости черепа, в зависимости от их интенсивности, вырабатывает соответствующие гормоны и контролирует обменные процессы в организме человека;
- Гипоталамус отвечает за работу сердечных мышц, нормализацию температуры тела и артериального давления. С его помощью дается сигнал на выделение стрессовых гормонов. Отвечает за чувство голода, жажды, удовольствия и сексуальности.
Задняя доля гипофиз находится в области гипоталамуса и отвечает за выработку гормонов, от которых зависит половое созревание и работа репродуктивной системы человека.
Каждое полушарие отвечает за выполнение своих особенных задач. Например, правое большое полушарие накапливает в себе данные об окружающей среде и опыт общения с ней. Контролирует движение конечностей с правой стороны.
В левом большом полушарии находится речевой центр, отвечающий за речь человека, также оно контролирует аналитическую и вычислительную деятельность, а в его коре формируется абстрактное мышление. Аналогично правой части контролирует движение конечностей со своей стороны.
Строение и функция коры головного мозга напрямую зависят друг от друга, так извилины условно делят ее на несколько частей, каждая из которых выполняет определенные операции:
- височная доля, контролирует слух и обаяние;
- затылочная часть регулирует за зрение;
- в теменной формируются осязание и вкус;
- лобные части отвечают за речь, движение и сложные мыслительные процессы.
Лимбическая система состоит из обонятельных центров и гиппокампа, который отвечает за адаптацию организма к переменам и регулировку эмоциональной составляющей организма. С ее помощью создаются устойчивые воспоминания благодаря ассоциации звуков и запахов с определенным периодом времени, в течение которого происходили чувственные потрясения.
Кроме того, она контролирует за спокойный сон, сохранение данных в краткосрочной и долгосрочной памяти, за интеллектуальную деятельность, управление эндокринной и вегетативной нервной системой, участвует в образовании инстинкта размножения.
Как работает мозг человека
Работа головного мозга человека не прекращается даже во сне, известно, что у людей, находящихся в коме тоже функционируют некоторые отделы, о чем свидетельствуют их рассказы.
Основная работа этого органа производится с помощью больших полушарий, каждое из которых отвечает за определенную способность. Замечено, что полушария неодинаковы по размеру и функциям — правая часть отвечает за визуализацию и творческое мышление обычно больше левой части, отвечающей за логику и техническое мышление.
Известно, у мужчин масса мозга больше чем у женщин, но эта особенность не влияет на умственные способности. Например, этот показатель у Эйнштейна был ниже среднего, но его теменная зона, которая отвечает за познание и создание образов, была больших размеров, что позволило ученому разработать теорию относительности.
Некоторые люди наделены сверх способностями, это тоже заслуга этого органа. Эти особенности проявляются в высокой скорости письма или чтения, фотографической памяти и других аномалий.
Так или иначе, деятельность этого органа имеет огромное значение в осознанном управлении телом человека, а присутствие коры отличает человека от других млекопитающих.
Что, по мнению ученых постоянно возникает в головном мозге человека
Специалисты, изучающие психологические возможности мозга считают, что выполнение познавательных и мыслительных функций происходит в результате биохимических токов, однако, эта теория на настоящий момент подвергается сомнению, потому что этот орган — биологический объект и принцип механического действия не позволяет познать его природу окончательно.
Головной мозг является своеобразным штурвалом всего организма, выполняя ежедневно огромное количество задач.
Анатомо-физиологические особенности строения головного мозга является предметом изучения уже много десятилетий. Известно, что этот орган занимает особое место в строении ЦНС (центральной нервной системе) человека, а его характеристики для каждого человека разные, поэтому нельзя найти 2 абсолютно одинаково мыслящих людей.
Видео
Как работает наш мозг или как смоделировать душу? / Хабр
Здравствуй, Geektimes! В ранее опубликованной статье, была представлена модель нервной системы, опишу теорию и принципы, которые легли в её основу.
Теория основана на анализе имеющейся информации о биологическом нейроне и нервной системе из современной нейробиологии и физиологии мозга.
Сначала приведу краткую информацию об объекте моделирования, вся информация изложена далее, учтена и использована в модели.
НЕЙРОН
Нейрон является основным функциональным элементом нервной системы, он состоит из тела нервной клетки и её отростков. Существуют два вида отростков: аксоны и дендриты. Аксон – длинный покрытый миелиновой оболочкой отросток, предназначенный для передачи нервного импульса на далекие расстояния. Дендрит – короткий, ветвящийся отросток, благодаря которым происходит взаимосвязь с множеством соседних клеток.
ТРИ ТИПА НЕЙРОНОВ
Нейроны могут сильно отличаться по форме, размерам и конфигурации, не смотря на это, отмечается принципиальное сходство нервной ткани в различных участках нервной системе, отсутствуют и серьезные эволюционные различия. Нервная клетка моллюска Аплизии может выделять такие же нейромедиаторы и белки, что и клетка человека.
В зависимости от конфигурации выделяют три типа нейронов:
а) рецепторные, центростремительные, или афферентные нейроны, данные нейроны имеют центростремительный аксон, на конце которого имеются рецепторы, рецепторные или афферентные окончания. Эти нейроны можно определить, как элементы, передающие внешние сигналы в систему.
б) интернейроны (вставочные, контактные, или промежуточные) нейроны, не имеющие длинных отростков, но имеющие только дендриты. Таких нейронов в человеческом мозгу больше чем остальных. Данный вид нейронов является основным элементом рефлекторной дуги.
в) моторные, центробежные, или эфферентные, они имеют центростремительный аксон, который имеет эфферентные окончания передающий возбуждение мышечным или железистым клеткам. Эфферентные нейроны служат для передачи сигналов из нервной среды во внешнюю среду.
Обычно в статьях по искусственным нейронным сетям оговаривается наличие только моторных нейронов (с центробежным аксоном), которые связаны в слои иерархической структуры. Подобное описание применимо к биологической нервной системе, но является своего рода частным случаем, речь идет о структурах, базовых условных рефлексов. Чем выше в эволюционном значении нервная система, тем меньше в ней превалируют структуры типа «слои» или строгая иерархия.
ПЕРЕДАЧА НЕРВНОГО ВОЗБУЖДЕНИЯ
Передача возбуждения происходит от нейрона к нейрону, через специальные утолщения на концах дендритов, называемых синапсами. По типу передачи синапсы разделяют на два вида: химические и электрические. Электрические синапсы передают нервный импульс непосредственно через место контакта. Таких синапсов в нервных системах очень мало, в моделях не будут учитываться. Химические синапсы передают нервный импульс посредством специального вещества медиатора (нейромедиатора, нейротрансмиттера), данный вид синапса широко распространен и подразумевает вариативность в работе.
Важно отметить, что в биологическом нейроне постоянно происходят изменения, отращиваются новые дендриты и синапсы, возможны миграции нейронов. В местах контактов с другими нейронами образуются новообразования, для передающего нейрона — это синапс, для принимающего — это постсинаптическая мембрана, снабжаемая специальными рецепторами, реагирующими на медиатор, то есть можно говорить, что мембрана нейрона — это приемник, а синапсы на дендритах — это передатчики сигнала.
СИНАПС
При активации синапса он выбрасывает порции медиатора, эти порции могут варьироваться, чем больше выделится медиатора, тем вероятнее, что принимаемая сигнал нервная клетка будет активирована. Медиатор, преодолевая синоптическую щель, попадает на постсинаптическую мембрану, на которой расположены рецепторы, реагирующие на медиатор. Далее медиатор может быть разрушен специальным разрушающим ферментом, либо поглощен обратно синапсом, это происходит для сокращения времени действия медиатора на рецепторы.
Так же помимо побудительного воздействия существуют синапсы, оказывающие тормозящее воздействие на нейрон. Обычно такие синапсы принадлежат определенным нейронам, которые обозначаются, как тормозящие нейроны.
Синапсов связывающих нейрон с одной и той же целевой клеткой, может быть множество. Для упрощения примем, всю совокупность, оказываемого воздействия одним нейроном, на другой целевой нейрон за синапс с определённой силой воздействия. Главной характеристикой синапса будет, является его сила.
СОСТОЯНИЕ ВОЗБУЖДЕНИЯ НЕЙРОНА
В состоянии покоя мембрана нейрона поляризована. Это означает, что по обе стороны мембраны располагаются частицы, несущие противоположные заряды. В состоянии покоя наружная поверхность мембраны заряжена положительно, внутренняя – отрицательно. Основными переносчиками зарядов в организме являются ионы натрия (Na+), калия (K+) и хлора (Cl-).
Разница между зарядами поверхности мембраны и внутри тела клетки составляет мембранный потенциал. Медиатор вызывает нарушения поляризации – деполяризацию. Положительные ионы снаружи мембраны устремляются через открытые каналы в тело клетки, меняя соотношение зарядов между поверхностью мембраны и телом клетки.
Изменение мембранного потенциала при возбуждении нейрона
Характер изменений мембранного потенциала при активации нервной ткани неизменен. Независимо от того кокой силы воздействия оказывается на нейрон, если сила превышает некоторое пороговое значение, ответ будет одинаков.
Забегая вперед, хочу отметить, что в работе нервной системы имеет значение даже следовые потенциалы (см. график выше). Они не появляются, вследствие каких-то гармонических колебаний уравновешивающих заряды, являются строгим проявлением определённой фазы состояния нервной ткани при возбуждении.
ТЕОРИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ
Итак, далее приведу теоретические предположения, которые позволят нам создавать математические модели. Главная идея заключается во взаимодействии между зарядами формирующихся внутри тела клетки, во время её активности, и зарядами с поверхностей мембран других активных клеток. Данные заряды являются разноименными, в связи этим можно предположить, как будут располагаться заряды в теле клетки под воздействием зарядов других активных клеток.
Можно сказать, что нейрон чувствует активность других нейронов на расстоянии, стремится направить распространения возбуждения в направлении других активных участков.
В момент активности нейрона можно рассчитать определённую точку в пространстве, которая определялась бы, как сумма масс зарядов, расположенных на поверхностях других нейронов. Указанную точку назовем точкой паттерна, её месторождение зависит от комбинации фаз активности всех нейронов нервной системы. Паттерном в физиологии нервной системы называется уникальная комбинация активных клеток, то есть можно говорить о влиянии возбуждённых участков мозга на работу отдельного нейрона.
Нужно представлять работу нейрона не просто как вычислителя, а своего рода ретранслятор возбуждения, который выбирает направления распространения возбуждения, таким образом, формируются сложные электрические схемы. Первоначально предполагалось, что нейрон просто избирательно отключает/включает для передачи свои синапсы, в зависимости от предпочитаемого направления возбуждения. Но более детальное изучение природы нейрона, привело к выводам, что нейрон может изменять степень воздействия на целевую клетку через силу своих синапсов, что делает нейрон более гибким и вариативным вычислительным элементом нервной системы.
Какое же направление для передачи возбуждения является предпочтительным? В различных экспериментах связанных с образованием безусловных рефлексов, можно определить, что в нервной системе образуются пути или рефлекторные дуги, которые связывают активируемые участки мозга при формировании безусловных рефлексов, создаются ассоциативные связи. Значит, нейрон должен передавать возбуждения к другим активным участкам мозга, запоминать направление и использовать его в дальнейшем.
Представим вектор начало, которого находится в центре активной клети, а конец направлен в точку паттерна определённую для данного нейрона. Обозначим, как вектор предпочитаемого направления распространения возбуждения (T, trend). В биологическом нейроне вектор Т может проявляться в структуре самой нейроплазмы, возможно, это каналы для движения ионов в теле клетки, или другие изменения в структуре нейрона.
Нейрон обладает свойством памяти, он может запоминать вектор Т, направление этого вектора, может меняться и перезаписываться в зависимости от внешних факторов. Степень с которой вектор Т может подвергается изменениям, называется нейропластичность.
Этот вектор в свою очередь оказывает влияние на работу синапсов нейрона. Для каждого синапса определим вектор S начало, которого находится в центре клетки, а конец направлен в центр целевого нейрона, с которым связан синапс. Теперь степень влияния для каждого синапса можно определить следующим образом: чем меньше угол между вектором T и S, тем больше синапс будет, усиливается; чем меньше угол, тем сильнее синапс будет ослабевать и возможно может прекратить передачу возбуждения. Каждый синапс имеет независимое свойство памяти, он помнит значение своей силы. Указанные значения изменяются при каждой активизации нейрона, под влиянием вектора Т, они либо увеличиваются, либо уменьшаются на определённое значение.
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ
Входные сигналы (x1, x2,…xn) нейрона представляют собой вещественные числа, которые характеризуют силу синапсов нейронов, оказывающих воздействие на нейрон.
Положительное значение входа означает побудительное воздействие, оказываемое на нейрон, а отрицательное значение – тормозящее воздействие.
Для биологического нейрона не имеет значение, откуда поступил возбуждающий его сигнал, результат его активности будет идентичен. Нейрон будет активизирован, когда сумма воздействий на него будет превышать определённое пороговое значение. Поэтому, все сигналы проходят через сумматор (а), а поскольку нейроны и нервная система работают в реальном времени, следовательно, воздействие входов должно оцениваться в короткий промежуток времени, то есть воздействие синапса имеет временный характер.
Результат сумматора проходит пороговую функцию (б), если сумма превосходит пороговое значение, то это приводит к активности нейрона.
При активации нейрон сигнализирует о своей активности системе, передовая информацию о своём положении в пространстве нервной системы и заряде, изменяемом во времени (в).
Через определённое время, после активации нейрон передает возбуждение по всем имеющимся синапсам, предварительно производя пересчет их силы. Весь период активации нейрон перестает реагировать на внешние раздражители, то есть все воздействия синапсов других нейронов игнорируются. В период активации входит так же период восстановления нейрона.
Происходит корректировка вектора Т (г) с учётом значения точки паттерна Pp и уровнем нейропластичности. Далее происходит переоценка значений всех сил синапсов в нейроне(д).
Обратите внимание, что блоки (г) и (д) выполняются параллельно с блоком (в).
ЭФФЕКТ ВОЛНЫ
Если внимательно проанализировать предложенную модель, то можно увидеть, что источник возбуждения должен оказывать большее влияние на нейрон, чем другой удалённый, активный участок мозга. Следовательно возникает вопрос: почему же все равно происходит передача в направлении другого активного участка?
Данную проблему я смог определить, только создав компьютерную модель. Решение подсказал график изменения мембранного потенциала при активности нейрона.
Усиленная реполяризация нейрона, как говорилось ранее, имеет важное значение для нервной системы, благодаря ей создается эффект волны, стремление нервного возбуждения распространятся от источника возбуждения.
При работе с моделью я наблюдал два эффекта, ели пренебречь следовым потенциалом или сделать его недостаточно большим, то возбуждение не распространяется от источников, а в большей степени стремится к локализации. Если сделать следовой потенциал сильно большим, то возбуждение стремится «разбежаться» в разные стороны, не только от своего источника, но и от других.
КОГНИТИВНАЯ КАРТА
Используя теорию электромагнитного взаимодействия, можно объяснить многие явления и сложные процессы, протекающие в нервной системе. К примеру, одним из последних открытий, которое широко обсуждается в науках о мозге, является открытие когнитивных карт в гиппокампе.
Гиппокамп – это отдел мозга, которому отвечает за кратковременную память. Эксперименты на крысах выявили, что определённому месту в лабиринте соответствует своя локализованная группа клеток в гиппокампе, причем, не имеет значение, как животное попадает в это место, все равно будет активирован соответствующий этому месту участок нервной ткани. Естественно, животное должно помнить данный лабиринт, не стоит рассчитывать на топологическое соответствие пространства лабиринта и когнитивной карты.
Каждое место в лабиринте представляется в мозге, как совокупность раздражителей различного характера: запахи, цвет стен, возможные примечательные объекты, характерные звуки и т. д. Указанные раздражители отражаются на коре, различных представительствах органов чувств, в виде всплесков активности в определённых комбинациях. Мозг одновременно обрабатывает информацию в нескольких отделах, зачастую информационные каналы разделяются, одна и та же информация поступает в различные участки мозга.
Активация нейронов места в зависимости от положения в лабиринте (активность разных нейронов показана разным цветом). источник
Гиппокамп расположен в центре мозга, вся кара и её области удалены от него, на одинаковые расстояния. Если определить для каждой уникальной комбинации раздражителей точку масс зарядов поверхностей нейронов, то можно увидеть, что указанные точки будут различны, и будут находиться примерно в центре мозга. К этим точкам будет стремиться и распространятся возбуждение в гиппокампе, формируя устойчивые участки возбуждения. Более того, поочередная смена комбинаций раздражителей, будет приводить к смещению точки паттерна. Участки когнитивной карты будут ассоциативно связываться друг с другом последовательно, что приведет к тому, что животное, помещенное в начало знакомого ей лабиринта, может вспомнить весь последующий путь.
Заключение
У многих возникнет вопрос, где в данной работе предпосылки к элементу разумности или проявления высшей интеллектуальной деятельности?
Важно отметить, что феномен человеческого поведения, есть следствие функционирования биологической структуры. Следовательно, чтобы имитировать разумное поведение, необходимо хорошо понимать принципы и особенности функционирования биологических структур. К сожалению, в науке биологии пока не представлен четкий алгоритм: как работает нейрон, как понимает, куда необходимо отращивать свои дендриты, как настроить свои синапсы, что бы в нервной системе смог сформироваться простой условный рефлекс, на подобие тех, которые демонстрировал и описывал в своих работах академик И.П. Павлов.
С другой стороны в науке об искусственном интеллекте, в восходящем (биологическом) подходе, сложилось парадоксальная ситуация, а именно: когда используемые в исследованиях модели основаны на устаревших представлениях о биологическом нейроне, консерватизм, в основе которого берётся персептрон без переосмысления его основных принципов, без обращения к биологическому первоисточнику, придумывается все более хитроумные алгоритмы и структуры, не имеющих биологических корней.
Конечно, никто не уменьшает достоинств классических нейронных сетей, которые дали множество полезных программных продуктов, но игра с ними не является путем к созданию интеллектуально действующей системы.
Более того, не редки заявления, о том, что нейрон подобен мощной вычислительной машине, приписывают свойство квантовых компьютеров. Из-за этой сверхсложности, нервной системе приписывается невозможность её повторения, ведь это соизмеримо с желанием смоделировать человеческую душу. Однако, в реальности природа идет по пути простоты и элегантности своих решений, перемещение зарядов на мембране клетки может служить, как для передачи нервного возбуждения, так и для трансляции информации о том, где происходит данная передача.
Несмотря на то, что указанная работа демонстрирует, как образуются элементарные условные рефлексы в нервной системе, она приближает к пониманию того, что такое интеллект и разумная деятельность.
Существуют еще множество аспектов работы нервной системы: механизмы торможения, принципы построения эмоций, организация безусловных рефлексов и обучение, без которых невозможно построить качественную модель нервной системы. Есть понимание, на интуитивном уровне, как работает нервная система, принципы которой возможно воплотить в моделях.
Создание первой модели помогли отработать и откорректировать представление об электромагнитном взаимодействии нейронов. Понять, как происходит формирование рефлекторных дуг, как каждый отдельный нейрон понимает, каким образом ему настроить свои синапсы для получения ассоциативных связей.
На данный момент я начал разрабатывать новую версию программы, которая позволит смоделировать многие другие аспекты работы нейрона и нервной системы.
Прошу принять активное участие в обсуждении выдвинутых здесь гипотез и предположений, так как я могу относиться к своим идеям предвзято. Ваше мнение очень важно для меня.
Как работает человеческий мозг — CMT Научный подход
Александр Каплан (МГУ им. Ломоносова. Лаборатория нейрофизиологии и нейрокомпьютерных интерфейсов) провёл в стенах университета ИТМО лекцию «Мифы и реалии мозга человека: нейроинтерфейсы, искусственный интеллект, киборги и симбиоты», в которой рассказал про работу мозга и поделился мыслями о будущем взаимодействия человека и машин.
Кадр из кинофильма «Джонни Мнемоник»
Вокруг мозга и интеллекта много мифов, которые в перспективе могут стать устойчивым знанием. Наша работа сосредоточена на том, чтобы развеять эти мифы, — Александр Каплан
Из чего состоит человеческий мозг?
Это 86 миллиардов нервных клеток. Для понимания их работы важнее изучить не сами клетки, а их контакты друг с другом — каждая нервная клетка мозга (нейрон) имеет 10-15 тысяч контактов с другими клетками. Это миллион миллиардов операциональных единиц. Наш мозг управляет 640 мышцами и 360 суставами.
Например, 1 шаг — это работа 300 мышц, а поцелуй — 34.
Наш мозг особо не изменился по сравнению с кроманьонцами. Наш мозг уникален тем, что он не меняет свою структуру под внешние условия, а изменяет окружающую среду под себя.
86 миллиардов — это много или мало?
86 миллиардов нейронов — это очень много. У таких сравнительно умных животных, как обезьяна и дельфин — по 6-8 миллиардов нервных клеток. Настоящий рекордсмен — это слон; в его мозгу 250 млрд нейронов.
Почему слон не пишет музыку и не летает в космос, если у него так много нервных клеток? Дело в том, что у слона почти все нейроны размещены в мозжечке. Слон — очень крупное животное, ему нужно координировать огромное количество мышц, чтобы двигаться. Мозжечок как раз отвечает за координацию движений.
Как учёные считают количество нервных клеток?
Откуда мы знаем про то, сколько нервных клеток в мозге живых организмов? Все эти подсчёты сделала Сюзанна Херкулано-Хузел, профессор нейроанатомии из Рио-де-Жанейро (Бразилия). Результаты своего исследования она опубликовала в 2009 году.
Сюзанна брала мёртвый мозг и взбивала его в блендере, пока не получала что-то вроде смузи. Ядра клеток довольно прочные, поэтому они не пострадали от механического воздействия лезвий. Измерив количество нервных клеток на единицу объёма мозгового смузи, Сюзанна смогла посчитать примерное количество нейронов в мозгу человека, слона или дельфина.
Джонс — наркозависимый бывший военный дельфин из фильма «Джонни Мнемоник». Развитый интеллект этого дельфина позволял животному взламывать системы безопасности противника.
Как мы видим то, что мы видим?
Наши глаза — настоящее природное чудо. Свет фокусируется и попадает на дно глазного яблока, на котором располагаются примерно 120 миллионов светочувствительных «колбочек». Нервные клетки возбуждаются и отправляют по нервному каналу электрический разряд, попадающий в заднюю часть мозга. Но эти разряды не несут в себе никаких изображений, как в компьютере. После того, как отдел мозга получает электрический разряд от «колбочек», происходит реконструкция изображения.
На основании прошлого опыта. Здесь есть опасность, что мы можем обмануться в том, насколько соответствуют наши внутренние психические образы реальным.
Что такое красный цвет? Откуда мы вообще знаем, что красный — это красный, а зелёный — это зелёный? Цвет является результатом общественного договора. Большинство людей считают так.
Наша внутренняя психическая модель образа зависит от общественного мнения.
На протяжении всей жизни мы выстраиваем модель окружающего нас мира. Эта модель невероятно сложна. В ней мы учитываем даже физические законы, иначе мы бы не могли предсказать самим себе, как полетит мяч, например. Мы подгоняем реальность под нашу индивидуальную модель мира, и картина мира в мозгу достраивается постоянно.
Кадр из кинофильма «Матрица». Мир «Матрицы» является нейроинтерактивной моделью Земли конца XX века. Можно сказать, что принципы моделирования окружающего мира мозгом человека перешли и в Матрицу.
Наш мозг испытывает потребность в достраивании этой модели. Это желание побуждает нас изучать мир вокруг. Наша ментальная модель напрямую зависит от опыта.
Какой у нас объём памяти?
В мозге есть синапсы — контакты между нервными клетками. Эти контакты выступают в роли ячеек памяти. Память кодируется в конфигурации связей между этими синапсами.
Сам по себе синапс не очень скоростной. Время его отклика составляет 0,1 секунды, что крайне долго в сравнении с вычислительными возможностями современных компьютеров. Чтобы повысить свою скорость работы, синапсы действуют сообща. Такое сетевое распределение значительно повышает скорость работы мозга.
На сегодняшний день раскрытие тайны кодирования информации в мозге — наиболее финансируемая часть исследований нейронауки. Чтобы узнать это, учёные занимаются моделированием мозга и его работы — специальными рентгеновскими ножами они разрезают мозг на тончайшие пластинки, которые затем сканируются и «картографируются».
Сети синапсов обладают огромным объёмом памяти. Каждый из миллиардов синапсов имеет 26 состояний. Не два, как у традиционного транзистора в современных компьютерах, а 26.
Мозг — это не вычислительная, а пространственно-распредёленная система.
Каковы ресурсы мозга?
На сегодняшний день неврологические заболевания стали более летальными, чем сердечно-сосудистые заболевания и даже онкология. Можно сделать вывод, что наш мозг «упёрся в потолок» и исчерпывает свои ресурсы. Чтобы разгрузить наши головы, мы развиваем искусственный интеллект и системы автоматизации вычислительных модулей.
Сейчас ни в одном уголке мира нет настоящего искусственного интеллекта. По сути всё, что мы имеем сейчас — лишь эволюция калькуляторов. Мы не знаем, что назвать искусственным интеллектом, потому что не знаем, какой процесс назвать интеллектуальным, а какой — вычислительным.
Кто такой Homo augumenticus?
Александр Каплан считает, что будущее — за технологиями, которые используют различную периферию для расширения возможностей мозга по управлению техникой. Например, Илон Маск (CEO Tesla и основатель компании Space X) создал компанию «Neuralink». Маск понимает, что для расширения возможностей мозга нужен интерфейс между мозгом и технической «надстройкой». Кампания «Neuralink» призвана разрабатывать такие интерфейсы.
Кадр из кинофильма «Матрица»
Возможно, в будущем машины будут скрещены с человеком посредством нейроинтерфейсов. Люди станут так называемыми симбионтами — совсем как в серии видеоигр Deus Ex).
Трейлер к видеоигре Deus Ex: Mankind Divided показывает будущее, в котором люди массово пользуются различными улучшениями для тела. Такими, как многофункциональные протезы конечностей, имплантаты и многое другое.
Автор: Влад Чертыков
Впервые опубликовано в журнале «NEWTONEW», 12.05.2017
Человеческий мозг: факты, функции и анатомия
Человеческий мозг — это командный центр нервной системы человека. Он принимает сигналы от органов чувств тела и передает информацию мышцам. Человеческий мозг имеет ту же базовую структуру, что и мозг других млекопитающих, но больше по размеру тела, чем любой другой мозг.
Факты о человеческом мозге
- Человеческий мозг — самый большой мозг среди всех позвоночных по размеру тела.
- Весит около 3.3 фунта. (1,5 килограмма).
- Объем мозга среднего мужчины составляет 1 274 кубических сантиметра.
- Средний женский мозг имеет объем 1131 см3.
- Мозг составляет около 2 процентов массы тела человека.
- Головной мозг составляет 85 процентов веса мозга.
- Он содержит около 86 миллиардов нервных клеток (нейронов) — «серого вещества».
- Он содержит миллиарды нервных волокон (аксонов и дендритов) — «белое вещество».
- Эти нейроны связаны триллионами связей или синапсов.
Анатомия человеческого мозга
По данным клиники Мэйфилд, самая большая часть человеческого мозга — это головной мозг, который разделен на два полушария. Под ним находится ствол мозга, а за ним — мозжечок. Самый внешний слой головного мозга — это кора головного мозга, которая состоит из четырех долей: лобной, теменной, височной и затылочной. [Нервная система: факты, функции и заболевания]
Как и мозг всех позвоночных, человеческий мозг состоит из трех частей, известных как передний мозг, средний мозг и задний мозг.Каждая из них содержит полости, заполненные жидкостью, называемые желудочками. Передний мозг развивается в головной мозг и нижележащие структуры; средний мозг становится частью ствола мозга; а задний мозг дает начало областям ствола мозга и мозжечку.
Кора головного мозга в человеческом мозге значительно увеличена и считается средоточием сложных мыслей. Визуальная обработка происходит в затылочной доле около задней части черепа. Височная доля обрабатывает звук и язык и включает гиппокамп и миндалевидное тело, которые играют роль в памяти и эмоциях соответственно.Теменная доля объединяет информацию от разных органов чувств и важна для пространственной ориентации и навигации.
Ствол мозга соединяется со спинным мозгом и состоит из продолговатого мозга, моста и среднего мозга. Основные функции ствола мозга включают передачу информации между мозгом и телом; снабжение черепных нервов лицом и головой; и выполнение критических функций по контролю сердца, дыхания и сознания.
Между головным мозгом и стволом головного мозга находятся таламус и гипоталамус.Таламус передает сенсорные и двигательные сигналы в кору и участвует в регулировании сознания, сна и бдительности. Гипоталамус через гипофиз соединяет нервную систему с эндокринной системой, где вырабатываются гормоны.
Мозжечок расположен под головным мозгом и выполняет важные функции в управлении моторикой. Он играет роль в координации и балансе, а также может выполнять некоторые когнитивные функции.
Люди и другие животные
Общий размер мозга не коррелирует с уровнем интеллекта.Например, мозг кашалота более чем в пять раз тяжелее человеческого мозга, но люди считаются более интеллектуальными, чем кашалоты. Согласно Центру временной динамики обучения Калифорнийского университета в Сан-Диего, более точным показателем того, насколько разумным может быть животное, является соотношение между размером мозга и размером тела.
Однако у людей размер мозга не показывает, насколько человек умен. По словам Кристофа Коха, нейробиолога и президента Института науки о мозге Аллена в Сиэтле, у некоторых гениев в своей области мозг меньше среднего, а у других больше среднего.Например, сравните мозги двух известных писателей. Мозг русского писателя Ивана Тургенева весил 2021 грамм, а мозг писателя Анатоля Франса весил всего 1017 граммов.
У людей очень высокое соотношение массы мозга к массе тела, как и у других животных. Причина, по которой человеческий интеллект частично состоит в нейронах и складках. У людей больше нейронов на единицу объема, чем у других животных, и единственный способ добиться этого с помощью слоистой структуры мозга — это создать складки во внешнем слое, или коре головного мозга, сказал Эрик Холланд, нейрохирург и биолог-онколог из Исследовательского центра рака Фреда Хатчинсона. Центр и Вашингтонский университет.
«Чем сложнее становится мозг, тем больше в нем извилин и борозд, или волнистых холмов и долин», — сказал Холланд Live Science. По его словам, у других разумных животных, таких как обезьяны и дельфины, также есть эти складки в коре головного мозга, тогда как у мышей гладкий мозг.
У людей также самые большие лобные доли среди всех животных, сказал Холланд. Лобные доли связаны с функциями более высокого уровня, такими как самоконтроль, планирование, логика и абстрактное мышление — в основном, «вещи, которые делают нас особенно людьми», — сказал он.
Левое полушарие мозга и правое полушарие
Человеческий мозг разделен на два полушария, левое и правое, которые соединены пучком нервных волокон, называемым мозолистым телом. Полушария сильно, хотя и не полностью, симметричны. Левое полушарие мозга контролирует все мышцы правой стороны тела, а правое полушарие контролирует левую сторону. Одно полушарие может быть немного доминирующим, как у левшей, так и у правшей.
Популярные представления о качествах «левого полушария» и «правого полушария» являются обобщениями, которые не подкрепляются доказательствами.Тем не менее, между этими областями есть некоторые важные различия. По словам Холланда, левое полушарие содержит области, участвующие в речи и языке (называемые областью Брока и областью Вернике, соответственно), а также связаны с математическими вычислениями и поиском фактов. Правое полушарие мозга играет роль в визуальной и слуховой обработке, пространственных навыках и художественных способностях — более инстинктивных или творческих вещах, сказал Холланд, — хотя эти функции задействуют оба полушария. «Все всегда используют обе половинки», — сказал он.
Инициатива BRAIN
В апреле 2013 года президент Барак Обама объявил о грандиозной научной задаче, известной как «Инициатива BRAIN», сокращенно от «Исследования мозга посредством продвижения инновационных нейротехнологий». Усилия на сумму более 100 миллионов долларов были направлены на разработку новых технологий, которые будут создавать динамическую картину человеческого мозга, от уровня отдельных клеток до сложных цепей.
Как и другие крупные научные проекты, такие как проект «Геном человека», хотя это и дорого, но обычно стоит вложений, — сказал Холланд.Ученые надеются, что это более глубокое понимание приведет к новым способам лечения, лечения и профилактики заболеваний мозга.
В проекте участвуют представители нескольких государственных учреждений, включая Национальные институты здравоохранения (NIH), Национальный научный фонд (NSF) и Агентство перспективных исследовательских проектов в области обороны (DARPA), а также частных исследовательских организаций, включая Институт Аллена. для изучения мозга и Медицинского института Говарда Хьюза в Чеви-Чейз, штат Мэриленд.
В марте 2013 года спонсоры проекта изложили свои цели в журнале Science.В сентябре 2014 года NIH объявил о выделении 46 миллионов долларов в рамках инициативы BRAIN. Представители отрасли пообещали еще 30 миллионов долларов на поддержку усилий, а крупные фонды и университеты также согласились направить более 240 миллионов долларов на собственные исследования для достижения целей BRAIN Initiative.
Когда было объявлено о проекте, президент Обама созвал комиссию для оценки этических проблем, связанных с исследованиями мозга. В мае 2014 года комиссия опубликовала первую половину своего отчета, в которой призвала к скорейшей интеграции этики в исследования нейробиологии.В марте 2015 года комиссия опубликовала вторую половину отчета, в которой основное внимание уделялось вопросам улучшения когнитивных функций, информированного согласия и использования нейробиологии в правовой системе.
Программа Brain Initiative достигла нескольких целей. По состоянию на 2018 год Национальные институты здравоохранения (NIH) «инвестировали более 559 миллионов долларов в исследования более чем 500 ученых», а Конгресс ассигновал «около 400 миллионов долларов из финансирования NIH на 2018 финансовый год», согласно инициативе. интернет сайт.Финансирование исследований способствовало разработке новых инструментов визуализации и картирования мозга, а также помогло создать сеть переписи клеток BRAIN Initiative — попытку каталогизировать «список частей мозга». Вместе эти усилия способствуют значительному прогрессу в понимании мозга.
Дополнительные ресурсы
Части человеческого тела
- Мочевой пузырь: факты, функции и заболевание
- Толстая кишка: факты, функции и болезни
- Уши: факты, функции и заболевания
- Пищевод: факты , Функции и болезни
- Как работает человеческий глаз
- Желчный пузырь: функции, проблемы и здоровое питание
- Сердце человека: анатомия, функции и факты
- Почки: факты, функции и заболевания
- Печень: функции, отказы и болезни
- Легкие: факты, функции и заболевания
- Нос: факты, функции и заболевания
- Поджелудочная железа: функция, расположение и заболевания
- Тонкий кишечник: функция, длина и проблемы
- Селезенка: функция, расположение и проблемы
- Желудок: факты , Функции и заболевания
- Язык: факты, функции и заболевания
Эта статья была обновлена сентябрь.28 августа 2018 г., автор Live Science Алина Брэдфорд.
,частей мозга — как работает ваш мозг
У простейших из возможных существ невероятно базовая нервная система, состоящая только из рефлекторных путей. Например, у плоских червей и беспозвоночных нет централизованного мозга. У них рыхлые ассоциации нейронов, организованных в простые рефлекторные пути. У плоских червей нейронных сетей или отдельных нейронов, связанных вместе, которые образуют сеть вокруг всего животного.
Большинство беспозвоночных (таких как омары) имеют скромный «мозг», который состоит из локализованных скоплений тел нейронных клеток, называемых ганглиями .Каждый ганглий контролирует сенсорные и моторные функции в своем сегменте через рефлекторные пути, а ганглии связаны друг с другом, образуя простую нервную систему. По мере развития нервной системы цепочки ганглиев превратились в более централизованный простой мозг.
Мозг произошел от ганглиев беспозвоночных. Независимо от животного мозг состоит из следующих частей:
- Ствол головного мозга , который состоит из мозгового вещества (увеличенная часть верхнего спинного мозга), моста и среднего мозга (нижние животные имеют только продолговатый мозг).Ствол головного мозга контролирует рефлексы и автоматические функции (частота сердечных сокращений, артериальное давление), движения конечностей и висцеральные функции (пищеварение, мочеиспускание).
- Мозжечок объединяет информацию из вестибулярной системы, которая указывает положение и движение, и использует эти данные для координации движений конечностей.
- Гипоталамус и гипофиз отвечают за висцеральные функции, температуру тела и поведенческие реакции, такие как кормление, питье, сексуальная реакция, агрессия и удовольствие.
- головного мозга (также называемый корой головного мозга или просто корой головного мозга ) состоит из коры, крупных волоконных трактов (мозолистого тела) и некоторых более глубоких структур (базальных ганглиев, миндалевидного тела и гиппокампа). Он объединяет информацию от всех органов чувств, запускает двигательные функции, контролирует эмоции и удерживает память и мыслительные процессы (эмоциональное выражение и мышление более распространены у высших млекопитающих).
Как работает человеческий мозг? Новые способы лучше понять, как наш мозг обрабатывает информацию — ScienceDaily
Человеческий мозг — это, пожалуй, самый сложный из органов, насчитывающий от 50 до 100 миллиардов нервных клеток или нейронов, которые постоянно взаимодействуют друг с другом. Эти нейроны «передают» сообщения посредством электрохимических процессов; Это означает, что химические вещества в нашем организме (заряженные ионы натрия, калия и хлорида) входят и выходят из этих клеток и создают электрический ток.
Ученые уже давно стимулировали с помощью различных типов входных сигналов отдельные нейроны, которые были изолированы для изучения.Чтобы иметь достаточную статистическую мощность, эти эксперименты обычно включали стимулирование одного нейрона снова и снова, чтобы получить общее представление о том, как он реагирует на разные сигналы. Хотя эти исследования дали много информации, у них есть свои ограничения.
Статья профессора биоинженерии Лестерского университета Родриго Квиан Кирога недавно появилась в журнале Nature Reviews Neuroscience . В статье профессор Куиан Кирога и соавтор доктор Стефано Панцери обсуждают новые методологии, которые позволяют ученым лучше понять, как наш мозг обрабатывает информацию.
Проф. Куиан Кирога объясняет: «Человеческий мозг обычно принимает решения на основе одного стимула, оценивая активность большого количества нейронов. Я не стою перед тигром 100 раз, чтобы оценить свои нейронные реакции и решить, бежать мне или нет. Если я однажды увижу тигра, я убегу ». Таким образом, традиционные исследования подрывают эту сложность, учитывая только ответы отдельных нейронов.
Более того, в этих исследованиях учитывается «средний ответ», полученный при многократной стимуляции нейрона.Мозг, с другой стороны, действует на основе предъявления единственного стимула. Поэтому информации, предоставляемой усредненным ответом, часто может быть недостаточно.
Проф. Куиан Кирога и д-р Панцери подчеркивают, что из-за этих факторов «важно перейти от системы с одним нейроном и несколькими испытаниями к методологии с несколькими нейронами и с одним испытанием». Другими словами, более полезно изучать ответы множества нейронов на один стимул.
Профессор Куиан Кирога говорит: «Основной проблемой наших дней является (поэтому) разработка методологий для записи и обработки данных от сотен нейронов, и разработка их отнюдь не является тривиальной задачей».
Он добавляет: «Наш мозг способен создавать очень сложные процессы — просто представьте себе идеальную гармонию, с которой мы двигаем различные мышцы при нормальной ходьбе — в этом участвуют тысячи нейронов, и определить роль каждого из них сложно».
В своей недавней обзорной статье профессор Куиан Кирога и доктор Панцери обсуждают два дополнительных подхода, которые могут быть использованы для решения этой проблемы, а именно «декодирование» и «теория информации».
«Декодирование» по существу помогает определить, что должно было вызвать конкретный ответ (во многом как «обратная работа»).Таким образом, реакция популяции нейронов используется для реконструкции стимула или поведения, которое в первую очередь его вызвало. «Теория информации», с другой стороны, буквально определяет количество информации, которую несколько нейронов несут о стимуле.
Проф. Куиан Кирога объясняет: «Вместе два подхода не только позволяют ученым извлекать больше информации о том, как работает мозг, но и информацию, которая неоднозначна на уровне отдельных нейронов, может быть четко оценена, когда вся« популяция » считается».Обзор является преимуществом для всех, кто работает в этой области, поскольку он тщательно рассматривает и оценивает два статистических подхода, а также описывает потенциальные приложения.
В рамках своего собственного исследования профессор Кирога (в сотрудничестве с профессором Ричардом Андерсеном из Калифорнийского технологического института) изучает «расшифровку» планов движения с использованием активности определенных популяций нейронов. Эта способность предсказывать намерения движения на основе активности нейронов находит применение в интерфейсах мозг-машина, особенно для разработки нейронных протезов (электронных и / или механических устройств, которые подключаются к нервной системе и заменяют функции, утраченные в результате болезни или травмы) для парализованные пациенты.
,Как работает картирование мозга | HowStuffWorks
Человеческий мозг представляет собой узел из 100 миллиардов нейронов и опорных клеток. Мы можем хранить там воспоминания на всю жизнь. Мы можем использовать его для написания сонетов и создания самолетов. Конечно, мозг слона больше, весит больше и имеет больше нейронов, но у слонов также отсутствуют наши способности. Заинтригованный? Ученые уверены. Это одна из причин, по которой они составляют карту человеческого мозга — серьезный проект, на выполнение которого могут потребоваться десятилетия.
Картирование мозга пытается связать структуру мозга с его функциями или определить, какие части дают нам определенные способности. Например, какой аспект нашего мозга позволяет нам быть творческими или логичными? Это называется локализацией функции .
При картировании функций мозга ученые используют изображения, чтобы наблюдать, как мозг выполняет различные задачи. Чарльз Уилсон, нейробиолог из Техасского университета в Сан-Антонио, объясняет локализацию функции следующим образом:
Есть часть мозга, которая в первую очередь связана со зрением, а другие части — со звуком.Теперь, можем ли мы взглянуть в секцию зрения и сказать: есть ли какая-то часть мозга, которая обнаруживает красные объекты, и другая, которая обнаруживает зеленые объекты? Или в одной и той же области обнаруживаются объекты обоих цветов?Картирование мозга также смотрит извне внутрь. Оно исследует, как окружающая среда изменяет структуру нашего мозга, например, изучая, как мозг изменяется физически в процессе обучения и старения. Картирование мозга также исследует, что физически не так в мозге при психических заболеваниях и других заболеваниях мозга.
Наконец, картирование мозга призвано дать нам полное представление о структуре нашего мозга. Google Планета Земля показывает нам спутниковые изображения нашей планеты и приближает их к континентам, странам, штатам, городам, шоссе, улицам и зданиям. Полная структурная карта нашего мозга может быть похожей. Это могло показать нам весь наш мозг; все области, функциональные доли, специализированные центры, толстые нейронные «пучки», соединяющие части мозга, нейронные цепи, отдельные нейроны, соединения между нейронами и, наконец, части нейронов.Ученые все еще разрабатывают детали, которые могут составить эту массивную карту.
Картирование мозга — это набор множества различных инструментов. Исследователи должны собирать изображения мозга, превращать эти изображения в данные, а затем использовать эти данные для анализа того, что происходит в мозге по мере его развития.
Читайте дальше, чтобы узнать, как исследователи составляют карту мозга.
,