Когда возникает задача получить полное и ясное представление
advertisement
Когда возникает задача получить полное и ясное представление о предмете, например, о компьютере и его устройстве, то лучшим путем будет приобретение базовых знаний и принципов, начиная от устройства и работы отдельных комплектующих элементов и постепенно идти в направлении понимания все более сложной взаимосвязи этих элементов. Гораздо проще начать с разбора как работает примитивный калькулятор, желательно самая ранняя модель, которая строилась еще на реле :) В этом плане нам очень повезло: природа сотворила весь набор от самых примитивных био-устройств до человеческого существа. И ученые успели неплохо изучить, как устроены самые простейшие и что общего между ними и самыми сложными. Оказалось, что общего очень много. Что, в отличие от компьютеров, в которых работает множество самых разных комплектующих, в мозга, каким бы он ни был по сложности, есть только два основных функциональных элемента: нейроны (нервная клетка) и синапсы (контакты между нейронами http://localhost/neuro/science/memory/mem15.htm). Все остальное носит вспомогательную, хотя и чрезвычайно существенную роль. У человека нейроны имеют в точности те же функции, что и у улитки. И вся сложность мозга состоит в организации сети этих нейронов и контактов между ними (примерно 10000 контактов на каждый нейрон). Кроме этого есть система неспецифического (неконкретного) регулирования процессом установления контактов в состояние проводимости из изначально непроводящего состояния с помощью веществ, стимулирующих этот процесс для тех контактов, которые соответствуют определенным условиям (тех, которые разделяют собой обоюдно возбужденные нейроны). В дальнейшем, излагаемые факты об устройстве и функциях нервной систмы, основываются на существующей литературе, которая отобрана в реферативный сборник http://localhost/neuro/source.php Желающие могут подробно изучить все это. Несмотря на большой объем, это стоит того :) Кратко резюмируя, скажу: оказывается, функция нейронов сводится к единственной операции: сравнения величины электрического потенциала с порогом, начиная с которого нейрон возбуждается и вырабатывает стандартный электрический импульс с частотой, пропорциональной силе входного сигнала. Т.е. нейрон - это пороговый элемент (компаратор) или генератор импульсов (релаксатор), запускаемый, воздействующими сигналами, в сумме не меньше определенного значения (зависящего от свойств его мембраны, которая выполняет функции алгебраического суммирования всех приложенных к ней сигналов). А к одному телу нейрона может быть приложено до 10000 сигналов - по числу возможных контактов (синапсов). Чтобы разместить все эти контакты и чтобы получить их из разных точек нервной сети, от тела нейрона разветвляется множество корнеобразных ответвлений дендритов, на которых и располагаются синапсы (они могут располагаться и на самом теле нейрона, это совершенно не принципиально). Если нейрон возбуждается, то электрические импульсы распространяются от его тела по отростку (обычно единственному) - аксону, длина которого бывает достаточна, чтобы, например, образовывать нервы - жгуты аксонов, идущих в одном пучке, соединяющие мозг и различные органы. Внутри же самого мозга аксоны относительно короткие. Синапсы по воздействию бывают двух видов: те, что при передаче сигнала приводят к возбуждению и те, что, наоборот, еще более повышают порог возбуждения - тормозят нейрон. Изучая, как организуется простейшее поведение улитки, можно проследить, что все начинается с рецепторов - чувствительных элементов-клеток, способных преобразовывать воздействие внешней среди или характеристики внутренней среды в стандартные электрические импульсы активности. Можно сказать, что рецептор - это несколько видоизменный нейрон, мембрана которого способна поляризоваться при воздействии вспомогательных преобразователей специфических механических, фото, или химических воздействий. Заканчивается же реакция с помощью эффекторов - преобразователей нервных импульсов в специфическое действие: сокращение мышечного волокна, выделение химических веществ или же остается стандартным сигналом для воздействия на элементы самой нейронной сети, организуя переключения активности с помощью внимания. Подробнее о рецепторах и эффекторах - в http://localhost/neuro/science/recept2/in_out.php В простейшем случае у насекомых, раздражение рецепторов вызывает возбуждение нейронов, которое передается эффекторам. Часто бывает разветвление небольшого количества рецепторных сигналов для срабатывания целого блока эффекторов, вызывающего целую последовательность реакций - программу действия. Так организуется связь между важным для организма воздействием внешней среды или важного изменения состояния внутренней среды в ответную реакцию. Важность определяется естественным отбором: полезные реакции остаются и усиливаются, а бесполезные и вредные исчезают. Внутренние важные сигналы называют потребностями. Легко видеть, что все сигналы, и внешние и внутренние, можно отнести или к положительным (полезным) для организма или отрицательным (вредным), или результат такой оценки зависит от условий, в которых эти сигналы проявляются. Это очень важно! Такое разделение уже на уровне самой простейшей нервной сети задает систему отношения организма (пока рано говорить о личности :) ) или систему значимости, которая в случае более сложных реакций, чем просто стимулответ, гибко, в зависимости от условий, определяют направленность поведения. Понятие системы значимости очень важно. Но для простейших, таких как насекомые, введено несколько преждевременно в том смысле, что значимость определяется как критерий того, насколько это полезно и важно для жизнеобеспечения вида, но, конечно же, никак не оценивается (и не используется) самим организмом :) Т.е. понятие значимость - в данном случае - чисто условно. Но уже на уровне насекомых закладывается основа для развития этой системы настолько, что позволяет оценивать воздействующие условия и результаты собственного поведения с позиции важности для самого организма и, соответственно, корректировать поведение не из поколения в поколение, а оперативно и гибко. В настоящее время хорошо изучены структуры генов даже сложных организмов и стало ясно, что количество информации совершенно недостаточно не только для детального плана строения мозга (число состояний связей которого превышает число атомов во вселенной), но даже основных особенностей строения тела и программы его развития. Но этого и не нужно. Генетическая информация нужна только для задания первоначального состояния. А все, во что превращаются клетки развивающихся тканей, зависит от условий, в которых они развиваются - от окружения. Эволюция добилась того, что в данных условиях, данное начальное состояние организма, в силу причинности и с коррекций в нужные моменты генетической информацией, приводит к достаточно однозначному результату. Изменятся условия и результат будет несколько иным. Условия могут измениться настолько, что организм вообще окажется нежизнеспособным, несмотря на то, что в среде нет никаких явных повреждающих факторов. Сама среда и физикохимические законы являются необходимым и достаточным дополнением генетической информации, которая подключается в нужные моменты, подправляя развитие. Мозг изначально не имеет эффективных связей между нейронами (кроме самых древних), которые созревая в ткани мозга из протоклеток, приобретают специализацию как нейроны, отростки которых растут достаточно разнообразно от организма к организму. Вот что об этом известно: Формирование синапсов http://localhost/neuro/science/memory/mem1.php АКСОНЫ: Механизмы выбора пути - http://localhost/neuro/science/memory/mem2.php Характер ветвления отростков нейронов так же зависит от условий развития и определяет характерные особенности психики отдельных особей, их возможности и способности (почему и как станет ясно позже). Что в системном смысле необходимо, чтобы простейший организм, такой как улитка, мог обладать поведенческой функциональностью, достаточной для выживания в определенных условиях? Нужно, чтобы он обладал чувствительными датчиками-рецепторами, которые могли бы реагировать на все значимые для него внешние и внутренние условия, нужно, чтобы он обладал исполнительными органами-эффекторами, способными или противодействовать нежелательным условиям или способствовать желательным. И нужно, чтобы была возможность строить управляющие цепи, которые в зависимости от сигналов рецепторов, могли активизировать эффекторы, а так же изменять сами управляющие цепи так, чтобы активизировать то, что имеет положительное значение и подавлять то, что приводит к отрицательным последствиям. Последнее реализовалось в виде двух видов синоптических контактов: возбуждающих и тормозных. Если бы были только возбуждающие, то с приходом первого же импульса вся нейронная сеть, рано или поздно, оказалась бы возбужденной (что-то сродни эпилептическому припадку). Отточив функциональность рецепторов и эффекторов в длительном эволюционном отборе, природа получила универсальные в земных условиях комплектующие элементы для моделирования поведения организмов, а методом моделирования был естественный отбор. Кроме общей регуляторной функции, обеспечивающей построение направленных цепей управления эффекторами, эти два вида действия синоптических контактов приобрели еще важное функциональное назначение, при формировании ответов на благоприятные или неблагоприятные воздействия. Если результат поведения привел к отрицательным последствиям (сигналам системы значимости, основанной на рецепторах, смысл которых зависит от конкретных условий), то такое поведение должно быть заторможено на будущее. А поведение, приводящее к положительным последствиям - стимулировано. Подразумевается, что уже имеются некоторые программы действий (или эффектороные программы, - имеются в виду последовательность срабатывания элементарных эффекторов, формирующая действие от начала до конца) или последовательности действий (как они формируются - позже). Так, даже у простейших насекомых есть программы добывания пищи, когда рецепторы сигнализируют о такой потребности и есть программы полового поведения. Практически в любой эффектороной программе поведения есть звенья, тормозящие "неправильное" и возбуждающие "правильное" так, что в результате и реализуется общее адекватное поведение. Эти звенья постоянно оптимизируются (уточняются) в ходе естественного отбора, отслеживая изменение общих условий существования вида, адаптируясь к ним. Но если условия изменятся слишком радикально, то простейшему организму остается лишь попытаться игнорировать их потому, что для него еще их просто как бы не существует. Чаще всего это кончается летально для вида. Если выживают те насекомые, у которых в нужном месте возникают тормозные связи, препятствующие неправильному варианту поведения, или те, у которых возникает возбуждение более эффективных результатов поведения, то тем самым получается, что тормозное или возбуждающее действие соответствует виду отклика системы значимости организма (хороши последствия или плохи). Но реализуется не как управляющая связь от самой системы значимости, а посредством эволюционного отбора, что тоже - вполне метод для достижения нужного результата. А для более быстрого реагирования на условия, для того, чтобы было возможно формирование и оптимизация поведенческих программ в зависимости от текущего жизненного опыта, а не из поколения в поколение, нужна прямая связь системы значимости с системой формирования поведенческих программ. Предыдущие два абзаца очень важны для понимания принципов организации адаптивного поведения, вообще для понимания механизмов психических явлений. Этим показывается как еще у насекомых сформировалась основа для оперативной (в течение жизни самого организма, а не из поколения в поколение) оптимизации поведения, для постоянной адаптации к изменяющимся условиям, что позволяет оставаться адекватным им, быстро переобучаясь. Забегая вперед, поясню, что в зависимости от оценки результатов поведения, у высших животных, создаются условия для преимущественного (массового, неспецифического, но в области, затрагивающей область текущего возбуждения, выделенную вниманием) закрепления связей того типа (тормозных или возбуждающих), какой соответствует этой оценке. Важная разница между насекомыми и высшими животными: первые в течение своей жизни не способны к долговременному обучению. Пластичность (обучаемость) их нервной системы, в основном, связана с кратковременными процессами, а не с образованием постоянных связей между нейронами: см. Нервная система виноградной улитки - http://localhost/neuro/science/data/any.php, Пластичность нейронных сетей в цнс виноградной улитки http://localhost/neuro/science/data/mem120.htm, Физиология насекомых http://localhost/neuro/science/base/mem153.htm. Если у насекомых текущее поведение определяется только существующими изначально, при рождении, связями между нейронами, то у высших эти связи формируются активно в течении жизни особи. Обучение предполагает память, что является достаточно условным, но удобным понятием. У насекомых память осуществляется в виде временных изменений условий прохождения сигналов между нейронами и представлена текущей активностью нейронов. Это то, что принято называть кратковременной памятью. В мозге даже простейших активность не всегда прерывается как только исчез первоначально вызвавший ее стимул - сигнал от рецепторов. Активность может поддерживаться неопределенно долго в тех случаях, когда эволюционные механизмы отбора опередили, что временное пропадание данного стимула не значит пропадание значимого фактора, а необходим учет его уже невидимого присутствия. Поддержание активности легко достигается передачей возбуждения в то место, куда ранее поступал сигнал от рецепторов. Поэтому, даже рецептор больше не оказывает влияние, вместо него это делает обратная связь, закольцовывающая возбуждение. Прервать такое самовозбуждение (реверберацию) может только тормозное влияние, когда значение первоначального стимула исчерпает себя. Прикосновение к телу улитки заставляет ее отпрянуть на некоторое время, а не тут же возвращаться как только прервался контакт. В данном случае вместо тормозного влияния может иметь место и просто истощение, привыкание цепи возбужденных нейронов. Но, самое важное - возникновение механизма сохранения возбуждения после прекращения рецепции - реверберация возбуждения по кольцевым структурам, поддерживающая образ первоначального стимула. См. Мозговая основа субъективных переживаний - http://localhost/neuro/science/recept/mem147.htm http://localhost/neuro/science/base/base2.htm (поиском на слово реверберация), http://localhost/neuro/science/data/analisator.php, http://localhost/neuro/science/base/mem63.htm, http://localhost/neuro/science/base/mem68.htm, http://localhost/neuro/science/data/a_ritm.php На экране компьютерного томографа можно непосредственно наблюдать, как под воздействием новых стимулов восприятия активизируются новые зоны и сохраняют активность после прекращения поступления рецепторных сигналов в виде достаточно обособленных очагов возбуждения, которых в мозге может накапливаться очень много к концу дня. Во время сна, при общем нарастании торможения, реверберации все более локализуются, изолируются и большинство из них к концу сна полностью гасятся. (см. Глубокий сон разбивает мозг на изолированные островки рttp://localhost/neuro/science/sleep/sleep2.php). Сон - сама по себе достаточно интересная тема. Эволюционно у разных животных его организация различается, особенно разительно у морских млекопитающих: дельфинов и котов, мозг которых спит не весь, а его половинки поочередно. Сон несет несколько физиологических функций, среди которых нет функции отдыха организма (если не считать того, например, что восстановительный метаболизм позвоночника человека использует горизонтальное положение тела). Главной (если вообще можно что-то в мозге выделять как главное) его задачей является гашение избыточных ревербераций, накапливающихся за активный период со специфическим использование информации (- понимание значения воспринимаемого для организма), которую эти активные зоны содержали. В организации сознания и поведения сон не играет непосредственную роль. Более подробно о сне, его механизмах можно прочитать: Наука о сне - http://localhost/neuro/science/sleep/sleep.php, Природа сна http://localhost/neuro/science/sleep/mem38.htm, Физиология сна http://localhost/neuro/science/sleep/mem93.htm, еще Природа сна 2 http://localhost/neuro/science/sleep/mem40.htm, О вещих снах и полуночных открытиях - http://localhost/neuro/science/sleep/mem193.htm, Осознанные сновидения - http://localhost/neuro/science/sleep/dreams.php. Реверберирующие зоны образуют характерную наведенную (общую фоновую) электрическую активность, проявляющуюся в виде ритмов, частота которых зависит от длины пути сигнала обратной связи по кольцу возбуждения. Общий тонус мозга, повышая или понижая порог срабатывания нейронов, способен менять величину реверберирующих зон и, соответственно, частоту ритмов. См. http://localhost/neuro/science/base/09.pdf и http://localhost/neuro/science/base/methods.php Согласно законам электродинамики, любая циркуляция тока порождает сопутствующее электромагнитное поле "наводку". Регистрация потенциалов с помощью электроэнцефаллографа не способна обнаружить наводящуюся активность отдельных нейронов. Из-за их огромного количества отклики каждого из них будут сливаться в общий фон. Но согласованная активность многих нейронов неминуемо должна выделяться из общего фона. И реверберация просто не может не порождать ритмические потенциалы с частотой, соответствующей периоду кольцевой циркуляции сигналов. Кроме реверберации, других согласованных активностей в нейронных сетях мозга не обнаружено. Гипотеза о "сканировании" http://localhost/neuro/science/data/a_ritm.php как бы не замечает кольцевые структуры и говорит только о некоем сканировании для целей распознавания, привнося алгоритмический подход в принципиально неалгоритмизируемые процессы. Фактически, все данные, полученные приверженцами такой гипотезы, относятся именно к реверберациям потому, что реверберации достоверно обнаружены и они должны порождать ритмические потенциалы, а ничего подобного на механизмы сканирования не обнаружено и не обосновано эволюционным развитием механизмов мозга. Что касается невозможности алгоритмически (программно, системой централизованного управления, кибернетическими методами) описать работу мозга (вообще психические явления), то этому есть доказательство: в работах Роджера Пенроуза http://localhost/art/theory/penrouse.php , основанных на теореме Геделя о неполноте http://www.scorcher.ru/subject_index/subject_show.php?id=4249 Подробнее об этом: еще раз о Пенроузе http://localhost/art/theory/algorithm/penrouse.php и К проблеме 'вычислимости' функции сознания - http://localhost/art/theory/algorithm/algorithm.php Иллюстрирует это следующие соображения. Во-первых в каждый следующий момент времени нейронная сеть не похожа на себя прежнюю связями, порогами срабатывания нейронов, соотношениями концентраций медиаторов, и вообще всего того, что воздействует неспецифически. Все это непосредственно оказывает влияние на текущее восприятие-поведение. Любой результат поведения тут же изменяет условия последующего поведения, - он учитывается системой как приобретаемый опыт. Во-вторых, не может реально существовать управляющее устройство, способное контролировать состояние 10 тысяч контактов у каждого из10 миллиардов нейронов. На такое способна только сама система децентрализовано, когда каждый ее элемент просто выполняет свою определенную функцию (нейрон - порогового элемента-сумматора, а синапсы межнейронных коммутаторов). Как станет очевидно из дальнейшего, больше ничего и не требуется. Из сказанного уже понятно, что любой вид памяти в мозге реализуется за счет синоптических контактов. См. также http://localhost/neuro/science/memory/mem51.htm, http://localhost/neuro/science/memory/mem3.htm, http://localhost/neuro/science/memory/mem55.htm, http://localhost/neuro/science/memory/mem55.htm, http://localhost/neuro/science/memory/mem1.php, http://localhost/neuro/science/memory/st35.htm Договоримся образ первоначального стимула, составленный из всей совокупности сигналов рецепторов, открытых вниманием для восприятия, который поддерживается некоторое время за счет реверберации, так и называть образом воспринимаемого. Оговорка насчет открытого вниманием очень существенна и относится к тем достаточно сложным нейронным сетям, которые позволяют переключать активные зоны (образы восприятия) в зависимости от текущей актуальности (наивысшей значимости) к централизованным системам управления поведением (очевидно, что поведение не могут в таком случае управлять сразу множество разных стимулов). В то время как самые важные для организма каналы восприятия поддерживаются вниманием, другие остаются относительно изилированными, но возбужденными (реверберирующими). Таким образом то, что было создано природой для учета временно пропадающего, но важного стимула, используется более широко.
