Как работает человеческий мозг хабрахабр. Как работает мозг? Короткий сон повышает умственную активность

Мозг

Поводом написания данной статьи послужила публикация материала американских неврологов на тему измерения емкости памяти головного мозга человека, и представленная на GeekTimes днем ранее.

В подготовленном материале постараюсь объяснить механизмы, особенности, функциональность, структурные взаимодействия и особенности в работе памяти. Так же, почему нельзя проводить аналогии с компьютерами в работе мозга и вести исчисления в единицах измерения машинного языка. В статье используются материалы взятые из трудов людей, посвятившим жизнь не легкому труду в изучении цитоархитектоники и морфогенетике, подтвержденный на практике и имеющие результаты в доказательной медицине. В частности используются данные Савельева С.В. учёного, эволюциониста, палеоневролога, доктора биологических наук, профессора, заведующего лабораторией развития нервной системы Института морфологии человека РАН.

Прежде, чем преступить к рассмотрению вопроса и проблемы в целом, мы сформулируем базовые представления о мозге и сделаем ряд пояснений, позволяющих в полной мере оценить представленную точку зрения.

Первое что вы должны знать: мозг человека - самый изменчивый орган, он различается у мужчин и женщин, расовому признаку и этническим группам, изменчивость носит как количественный (масса мозга) так и качественный (организация борозд и извилин) характер, в различных вариациях эта разница оказывается более чем двукратной.

Второе: мозг самый энергозатратный орган в человеческом организме. При весе 1/50 от массы тела он потребляет 9% энергии всего организма в спокойном состоянии, например, когда вы лежите на диване и 25% энергии всего организма, когда вы активно начинаете думать, огромные затраты.

Третье: в силу большой энергозатраты мозг хитер и избирателен, любой энергозависимый процесс невыгоден организму, это значит, что без крайней биологической необходимости такой процесс поддерживаться не будет и мозг любыми способами старается экономить ресурсы организма.

Вот, пожалуй, три основных момента из далеко не полного списка особенностей мозга, которые понадобится при анализе механизмов и процессов памяти человека.

Что же такое память? Память – это функция нервных клеток. У памяти нет отдельной, пассивной эноргоне затратной локализации, что является излюбленной темой физиологов и психологов, сторонников идеи нематериальных форм памяти, что опровергается печальным опытом клинической смерти, когда мозг перестает получать необходимое кровоснабжение и примерно через 6 минут после клинической смерти начинаются необратимые процессы и безвозвратно исчезают воспоминания. Если бы у памяти был энергоне зависимый источник она могла бы восстановиться, но этого не происходит, что означает динамичность памяти и постоянные энергозатраты на ее поддержание.

Важно знать, что нейроны, определяющие память человека, находятся преимущественно в неокортоксе. Неокортекс содержит порядка 11млрд. нейронов и в разы больше глии. (Глия – тип клеток нервной системы. Глия является средой для нейронов глиальные клетки служат опорным и защитным аппаратом для нейронов. Метаболизм глиальных клеток тесно связан с метаболизмом нейронов, которые они окружают.

Неокортекс:

Глии, связи нейронов:

Хорошо известно, что в памяти информация хранится разное время, существуют такие понятия как долговременная и кратковременная память. События и явления быстро забываются, если не обновляются и не повторяются, что очередное подтверждение динамичности памяти. Информация определенным образом удерживается, но в отсутствии востребованности исчезает.

Как говорилось ранее, память – энергозависимый процесс. Нет энергии – нет памяти. Следствием энергозависимости памяти является нестабильность ее содержательной части. Воспоминания о прошедших событиях фальсифицируются во времени вплоть до полной неадекватности. Счета времени у памяти нет, но его заменяет скорость забывания. Память о любом событии уменьшается обратно пропорционально времени. Через час забывается ½ от всего попавшего в память, через сутки – 2/3, через месяц – 4/5.

Рассмотрим принципы работы памяти, исходя из биологической целесообразности результатов ее работы. Физические компоненты памяти состоят из нервных путей, объединяющих одну или несколько клеток. В них входят зоны градуального и активного проведения сигналов, различные системы синапсов и тел нейронов. Представим себе событие или явление. Человек столкнулся с новой, но достаточно важной ситуацией. Через определенные сенсорные связи и органы чувств человек получил различную информацию, анализ события завершился принятием решения. При этом человек доволен результатом. В нервной системе осталось остаточное возбуждение – движение сигналов по сетям, которые использовались при решении проблемы. Это так называемые «старые цепи» существовавшие до ситуации с необходимостью запоминать информацию. Поддержания циркуляции разных информационных сигналов в рамках одной структурной цепи крайне энергозатратно. Потому сохранение в пямяти новой информации обычно затруднительно. Во время повторов или схожих ситуациях могут образоваться новые синаптические связи между клетками и тогда полученная информация запомнится на долго. Таким образом, запоминание – это сохранение остаточной активности нейронов участка мозга.

Память мозга – вынужденная компенсаторная реакция нервной системы. Любая информация переходит во временное хранение. Поддержка стабильности кратковременной памяти и восприятия сигналов от внешнего энергетически крайне затратна, к тем же клеткам приходят новые возбуждающие сигналы и, накапливаются ошибки передачи и происходит перерасход энергетических ресурсов. Однако ситуация не так плоха, как выглядит. Нервная система обладает долговременной памятью. Зачастую она так трансформирует реальность, что делает исходные объекты неузнаваемыми. Степень модификации хранимого в памяти объекта зависит от времени хранения. Память сохраняет воспоминания, но изменяет их так, как хочется обладателю. В основе долговременной памяти лежат простые и случайные процессы. Дело в том, что нейроны всю жизнь формируют и разрушают свои связи. Синапсы постоянно образуются и исчезают. Довольно приблизительные данные говорят о том, что этот процесс спонтанного образования одного нейронного синапса может происходить у млекопитающих примерно 3-4 раза в 2-5 дней. Несколько реже происходит ветвление коллатералей, содержащих сотни различных синапсов. Новая полисинаптическая коллатераль формируется за 40-45 дней. Поскольку эти процессы происходят в каждом нейроне, вполне можно оценить ежедневную емкость долговременной памяти для любого из животных. Можно ожидать, что в коре мозга человека ежедневно будет образовываться около 800 млн. новых связей между клетками и примерно столько же будет разрушено. Долговременным запоминанием является включение в новообразованную сеть участков с совершенно не использованными, новообразованными контактами между клетками. Чем больше новых синаптических контактов участвует в сети первичной (кратковременной) памяти, тем больше у этой сети шансов сохраниться надолго.

Запоминание и забывание информации. Кратковременная память образуется на основании уже имеющихся связей. Её появление обозначено оранжевыми стрелками на фрагменте б. По одним и тем же путям циркулируют сигналы, содержащие как старую (фиолетовые стрелки), так и новую (оранжевые стрелки) информацию. Это приводит к крайне затратному и кратковременному хранению новой информации на базе старых связей. Если она не важна, то энергетические затраты на её поддержание снижаются и происходит забывание. При хранении «кратковременной», но ставшей нужной информации образуются новые физические связи между клетками по фрагментам а-б-в. Это приводит к долговременному запоминанию на основании использования вновь возникших связей (жёлтые стрелки). Если информация долго остаётся невостребованной, то она вытесняется другой информацией. При этом связи могут прерываться и происходит забывание по фрагментам в-б-а или в-a (голубые стрелки)."

Из выше сказанного ясно, что мозг динамическая структура, постоянно перестраивается и имеет определенные физиологические пределы, так же мозг чрезмерно энергозатратный орган. Мозг не физиологичен, а морфогенетичен, потому его активности некорректно и неправильно измерять в системах, используемых и применимых в информационных технологиях. Из за индивидуальной изменчивости мозга не представляется возможным делать какие либо выводы обобщающие различные функциональные показатели мозга человека. Математические методы так же не применимы в расчете структурного взаимодействия в работе мозга человека, из за постоянного изменения, взаимодействия и перестраивания нервных клеток и связей между ними, что в свою очередь доводит до абсурда работу американских ученых в исследовании емкости памяти головного мозга человека.

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.

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 – .

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, 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 « » американский писатель Лоуэлл Томас написал «Профессор Уильям Джеймс говорит, что люди используют 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.

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. « »). А вредны для него продукты, в состав которых входят трансжиры (маргарин, чипсы, крекеры, пирожные и т. п.).

Сегодня мы рассмотрим такие вопросы как: что такое мозг, из чего он состоит , какие функции выполняет и каким образом мы мыслим, вспоминаем и принимаем решения.

Что такое головной мозг и из чего состоит?

Это наш центральный процессор, системный администратор нашего тела, это орган ЦНС (Центральной нервной системы). От животных мы отличаемся способностью мыслить и прогнозировать, принимать невыгодные решения, но во благо других людей.

Почти 80% мозга состоит из воды (в основном в цитоплазме клеток), а еще 10-12% липидов (жира) и 8% протеина. Хотя на его долю приходится всего 2% от массы тела, головной мозг использует полностью 20-25% поставок организмом кислорода, питательных веществ и глюкозы (в качестве топлива), все из которых поставляются постоянным потоком крови. Головной мозг защищен толстыми костями черепа и гематоэнцефалическим барьером, но характер (как сложной системы) человеческого мозга, тем не менее, делает его неустойчивым ко многим видам заболеваний.

Около 100 миллиардов нейронов передают сигналы друг другу с помощью 1000 триллионов синаптических связей. Происходит постоянный приток и анализ различной информации из вне.

Мозг отвечает за контроль всех телесных действий и функций. Это также центр мышления, обучения и памяти. Мозг дает нам способности, чтобы думать, планировать, говорить, представлять, спать, использовать разум и эмоции.

Как мы размышляем?

В данный момент вы читаете этот текст, вы видите каждую букву, понимаете ее. Разберемся, почему же вы понимаете, что читаете и, твердо убеждены в правильности своих мыслей.

Это задача не из легких, но любую задачу можно решить, применив метод анализа, тоесть дробления сложного вопроса на понятные элементы, соответствующую статью сайт скоро выпустит.

Органы чувств. Они так называются, потому что взаимодействуют с окружающим вас миром. Выделяют 6 органов чувств: глаза, уши, нос, кожа, язык и вестибулярный аппарат. У животных в процессе эволюции были развиты еще и эхо-локация, ощущение магнитного поля Земли и другие чувства.

С органами чувств разбираться глубоко не будем, итак понятно, что такое кожа или уши. Но вернемся к нашему примеру, мы читаем, задействуем свои глаза. Что происходит дальше.

Рецепторы. Любой из органов чувств имеет свои рецепторы, это нервные клетки находящиеся «в связке» с каким-либо органом чувств. Рецепторы в глазах трансформируют картинку от глаз, упорядочивают ее. Систематизируется информацию об оттенках цветов, которые вы видите, где какой цвет находится, о различных физических предметах и их местоположении в пространстве, о многих других вещах. Вся систематизируемая информация направляются во вставочные нейроны.

В нашем примере с чтением, на этом этапе, вы еще ничего не понимаете.

Вставочные нейроны. Это нейроны-посредники, они получают информацию от рецепторов и меняют ее в электрические сигналы. Что-то наподобие азбуки Морзе, только вместо букв и точек мы имеем картинку перед нашими глазами и эти самые электрические сигналы. Весь этот поток «летит» к коре головного мозга, к нейронам, находящимся в нем. Представьте, что нейрон – это проходная комната. И первыми «открывают дверь в комнату» дендриты.

Ваш мозг все еще не понимает слов.

Дендриты – это «входная дверь» в нейрон, уже в мозге (на самом деле информация может «пробить стену и влететь в нейрон» и без двери). Дендрит ПОНИМАЕТ, что пришла какая-то информация. Но сам он нифига не понимает, что это значит. Для него вы читаете что-то вроде «N?n h?o, w? de x?nx?», непонятные слова, ошибка 404. Дендрит отправляет эту информацию в «дверь выхода» — аксон.
Аксон в нервной клетке имеет множество ответвлений, он ищет совпадения поступающей информации в других нейронах. И находит их! Ваш мозг, ВНЕЗАПНО, осознает, что знает русский язык, так как информации полно в других нейронах. И «дорожки» от одного нейрона к другому постоянно используются, они надежные, крепкие. Параллельно с этим, в аксонах вырабатываются нейромедиаторы, отвечающие за наше настроение, энергию и здоровье. И вот нейроны поздравляют друг друга нейромедиаторами за «взаимное согласие и понимание».

Вот как работает мозг в познавательной деятельности !

Резюмируя: глаза/уши/язык.. собирают информацию, она накапливается в соответствующих рецепторах, те ее структурируют и посылают во вставочный нерв, где она трансформируется в электрические сигналы, эти сигналы принимают нервные клетки и их дендриты в коре мозга. Дендриты направляют эту информацию в аксон «на поиск соответствия». Аксон «ищет совпадения» через нейронные связи с другими нейронами. Все это происходит за доли секунды.

Если аксон не находит «совпадения», то создается тоненькая связь с новым нейроном (да, они все-таки создаются). Чем больше вы учите новой информации – тем больше создается связей и тем они крепче.

Обратное правило: если вы не учите что-то, забываете, то связи становятся тоньше. Но их можно быстро восстановить!

Рассмотрим еще 3 интересных примера: вы учитесь водить автомобиль(А), вам на голову летит кирпич(Б) и вы ищете по дому шариковую ручку(В).

А. Представьте, что вы впервые сели за руль. Вокруг столько кнопочек, 3 педали (ну или 2), всякие коробки, зеркала, так еще нужно представлять габариты автомобиля, понимать, «проеду ли я тут?». И ведь вы вроде знаете, что «выжимаем тормоз, снимаем с ручника…». Вы пробуете это делать, но руки не слушают, ноги, случайно, педали выжимают не до конца, забыли включить фары и т.д. Что происходит?

Связи между нейронами, где хранится память о вождении авто есть, но нет связей проходящих к мышцам. Цель обучения – создавать и укреплять эти нервно-мышечные связи и создавать новые между нейронами в мозге. Чем больше учишься – тем больше связей между нейронами и тем они крепче.

Замечали, как быстро вы выключаете будильник по утрам?)
Б. На вас летит кирпич! Типичная ситуация, с кем не бывало) Как только вы это осознаете, вы не ищете связи между нейронами с памятью о физике, вы не думаете, что «судя по его траектории, он пролетит мимо» или «он небольшой и попадет в плечо, а у меня толстая куртка и я ничего не почувствую». Как только до дендритов доходит информация «о летящем на вас кирпиче», вся логичность просто выключается, за дело берутся инстинкты, и вы отпрыгиваете, даже если у вас болит нога/спина/живот и вообще вам лень. Где есть угроза жизни – рулят инстинкты. Где нет – происходит поиск в нейронах мозга и нервно-мышечных связях.

В. Ищете ручку. Вам поступил важный звонок, нужно кое-что быстренько записать. Вы начинаете искать ручку, ищете глазами, спрашиваете у кого-то, нигде нет. Мозг работает очень активно, проверяются десятки тысяч связей между нейронами. Вырабатываются стрессовые нейромедиаторы, которые подгоняют мозг, как суровый офицер в армии гоняет солдат. Стресса еще больше, вдруг начинают проверяться альтернативные варианты как записать, и вы записываете на своем же телефоне, на компьютере, забираете чужой мобильник и там пишете, пытаетесь запомнить. Вам уже плевать на все, нужно тупо записать.

Все прошло, вы поговорили, информация «сохранена». Нейроны снова активно вырабатывают нейромедиаторы, но уже положительные, «поздравляю вас, коллега!»

Теперь понимаете, почему вы можете потерять дома мобильный, но никогда полностью не разучитесь водить машину.

И еще! Наверно вы слышали, что продавцы в магазинах часто дают подержать товар в руки – это не просто так! Таким образом у вас задействованы почти все органы чувств, вы видите товар, чувствуете его, еще и продавец его нахваливает (звук) – нейроны и связи создаются очень быстро. Быстрее, чем вы бы просто прочитали обзор на этот товар. Вот такая тонкая психология.)

Как мы мечтаем?

Мы можем мечтать абсолютно где угодно и когда угодно, это очень важная функция мозга! Мечты расслабляют человека, придают ему оптимизма, что, в конечном итоге, положительно сказывается на его отношении к окружающему миру. Ведь каким мы видим мир – такой он и есть.

Мечты добавляют осмысленность, логичность в нашу жизнь, как бы это странно не звучало. Они показывают к чему нам стремиться, и пока мы стремимся к мечте – мы счастливы.

Традиционно считается, что за мечты отвечает правое полушарие головного мозга. Формально это не совсем так, человек активно мечтает, когда «выключена» логика и рациональность + вырабатываются нейромедиаторы: эндорфин, ГАМК, серотонин, мелатонин. Необязательным условием является подавление «возбуждающих» нейромедиаторов.

Вспомните свое состояние, перед тем как начинаете мечтать, это монотонное и рутинное действие, когда вы не решаете никаких задач и нет стресса и «отключаетесь».
Что происходит в голове в момент «отключения» от реальности? Рассмотрим на примере.
Достаточно лишь одной маленькой, но приятной мысли. Вы идете по знакомой улице, ничего не мешает, не спешите, нет медведей и других опасностей. Заметили красивое дерево, оно вам напомнило что-то приятное. Аксон помог найти эту информацию в каком-то нейроне и выработал положительные нейромедиаторы.

Нейромедиаторы попали в клетку с этим воспоминанием, та, в свою очередь, «обрадовалась» этим положительным моментом и направила и в свой аксон запрос на поиск совпадений. Тот находит их очень быстро и их тысячи, везде вырабатываются положительные нейромедиаторы. В этом моменте, вы уже видите не просто «дерево», ваш мозг вам напомнил, как вы когда-то ездили с друзьями на озеро, шашлыки, музыка, лето. Аксоны активно ищут еще больше совпадений, и вот уже условно весь мозг рад) Он стремится продлить это воспоминание и «дорисовывает» еще больше красок + вы уже фантазируете о будущем, теперь «совпадения не ищутся», а «создаются» исходя из прошлых событий.

— А как пройти до улицы Ленина? — кто-то вас спросил.

Так, встряска, норадреналина нам, глутамата, «отрубить» весь мелатонин… Мозг очень быстро перестраивается, что от нас хотят? Как пройти до Ленина, аксонам приказываю искать ответ в нейронах…

(Через 2-3 секунды вы отвечаете) – А, это вам туда до упора.

Вы, вдруг, осознаете, что не помните, как прошли последние 100-200 метров. Ведь только что были «шашлыки, озеро». Случалось?

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

Кора человеческого мозга состоит из порядка ста миллиардов нейронов. Исторически сложилось так, что учёные, исследующие работу мозга, пытались охватить своей теорией всю эту колоссальную конструкцию. Строение мозга описано иерархически: кора состоит из долей, доли - из «гиперколонок» , те - из «миниколонок» … Миниколонка состоит из примерно сотни отдельных 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 (28x28 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.

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?

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.

Возможно, будет полезно почитать: