Как работает головной мозг? Интересные особенности работы мозга Как работает мозг взрослого человека.

Правда ли, что мозг задействуется нами только на 10%?

Существует мнение, что человеческий мозг задействуется нами только на 10%. Вероятно, именно поэтому человек не может придумать, как его развить на 100%. Вопрос: почему тогда так устроен мозг и как всё таки можно заставить его работать на все сто?

Миф о работе мозга

Это неправда! Утверждение о том, что человеческий мозг работает на 10% (5%, 3%), — это старый, абсолютно неверный и совершенно неубиваемый миф. Разберемся, откуда он взялся. В середине прошлого века было совершенно непонятно, как мыслит человек (сейчас это тоже непонятно, но уже на другом уровне). Но кое-что было известно — например, что мозг состоит из нейронов и что нейроны могут генерировать электрические сигналы .

Некоторые ученые тогда считали, что если нейрон генерирует импульс, то он работает, а если не генерирует — значит, «ленится». И вот кому-то пришла в голову мысль проверить: какое количество нейронов в целом мозге «трудится», а какое — «бьет баклуши»? Нейронов в мозге несколько миллиардов, и было бы чистым безумием измерять активность каждого из них — это заняло бы много лет. Поэтому вместо того, чтобы изучать все нейроны подряд, ученые исследовали только небольшую часть, определили среди них процент активных и предположили, что по всему мозгу этот процент одинаков (такое предположение называется экстраполяцией).

И оказалось, что «работает», то есть генерирует импульсы, только неприлично малый процент нейронов, а остальные — «молчат». Из этого был сделан немного прямолинейный вывод: молчащие нейроны — бездельники, а мозг работает только на малую часть своих возможностей. Вывод этот был абсолютно неправильный, но поскольку в то время было принято «исправлять природу», например, поворачивать реки вспять, орошать пустыни и осушать моря, то идея о том, что и работу мозга тоже можно улучшить, прижилась и начала свое победное шествие по газетным страницам и журнальным разворотам. Даже и сейчас что-то подобное иногда встречается в желтой прессе.

Как примерно работает мозг

Как же всё обстоит на самом деле. Мозг человека — структура сложная, многоуровневая, высокоорганизованная. То, что написано ниже, — очень упрощенная картинка.

В мозге есть множество областей. Некоторые из них называются сенсорными — туда поступает информация о том, что мы ощущаем (ну, скажем, прикосновение к ладони). Другие области — моторные, они управляют нашими движениями. Третьи — когнитивные, именно благодаря им мы можем мыслить. Четвертые отвечают за наши эмоции. И так далее.

Почему же в мозге не включаются одновременно все нейроны? Да очень просто. Когда мы не ходим, то неактивны нейроны, запускающие процесс ходьбы. Когда молчим, «молчат» нейроны, управляющие речью. Когда ничего не слышим, не возбуждаются нейроны, отвечающие за слух. Когда не испытываем страх, не работают «нейроны страха». Иными словами, если нейроны в данный момент не нужны — они неактивны. И это прекрасно. Потому что если бы это было не так... Представим на секунду, что мы можем возбудить одновременно ВСЕ наши нейроны (больше секунды такого издевательства наш организм просто не вынесет).

Мы сразу начнем страдать от галлюцинаций, потому что сенсорные нейроны заставят нас

испытывать абсолютно все возможные ощущения. Одновременно моторные нейроны запустят все движения, на которые мы только способны. А когнитивные нейроны... Мышление — настолько сложная штука, что вряд ли на этой планете найдется хоть один человек, который сможет сказать, что случится, если одновременно возбудить все когнитивные нейроны. Но предположим для простоты, что тогда мы начнем думать одновременно все возможные мысли. И еще мы будем испытывать все возможные эмоции. И многое еще произойдет, о чём я не буду писать, потому что здесь просто не хватит места.

Посмотрим теперь со стороны на это существо, страдающее от галлюцинаций, дергающееся от конвульсий, одновременно чувствующее радость, ужас и ярость. Не очень-то оно похоже на создание, улучшившее свой мозг до стопроцентной эффективности! Наоборот. Лишняя активность мозгу не на пользу, а только во вред. Когда мы едим, нам не нужно бегать, когда сидим у компьютера — не нужно петь, а если во время решения задачи по математике думать не только о ней, но и о птичках за окном, то вряд ли эта задача решится. Для того чтобы мыслить, мало ДУМАТЬ о чём-то, надо еще НЕ ДУМАТЬ обо всём остальном. Важно не только возбуждение «нужных» нейронов, но и торможение «ненужных». Необходим баланс между возбуждением и торможением. И нарушение этого баланса может привести к очень печальным последствиям.

Например, тяжелая болезнь эпилепсия, при которой человек страдает от судорожных припадков, возникает тогда, когда возбуждение в мозге «перевешивает» торможение. Из-за этого во время припадка активизируются даже те нейроны, которые в эту секунду должны молчать; они передают возбуждение на следующие нейроны, те — на следующие, и по мозгу идет сплошная волна возбуждения. Когда эта волна доходит до моторных нейронов, они посылают сигналы к мышцам, те сокращаются, и у человека начинаются судороги. Что больной при этом ощущает, сказать невозможно, поскольку на время припадка у человека пропадает память.

Как всё-таки заставить мозг работать эффективнее

Надеюсь, вы уже поняли, что пытаться заставить мозг работать лучше, возбуждая все нейроны подряд, — дело бесперспективное, да еще и опасное. Тем не менее можно «натренировать» мозг, чтобы он работал эффективнее.

Начать придется издалека. Когда рождается маленький ребенок, количество нейронов в его мозге даже больше, чем у взрослого. Но связей между этими нейронами еще почти нет, и поэтому новорожденный человечек еще не в состоянии правильно использовать свой мозг — например, он практически не умеет ни видеть, ни слышать. Нейроны его сетчатки, даже если они чувствуют свет, не образовали еще связей с другими нейронами, чтобы передать информацию дальше, в кору больших полушарий. То есть глаз видит свет, но мозг не в состоянии понять это. Постепенно необходимые связи образуются, и в конце концов ребенок учится различать вначале просто свет, потом — силуэты простых предметов, цвета и так далее. Чем больше разнообразных вещей ребенок видит, тем больше связей образуют его зрительные пути и тем лучше работает та часть его мозга, которая связана со зрением. Но самое удивительное не это, а то, что такие связи могут образовываться почти исключительно в детстве. И поэтому если ребенок по какой-то причине не может ничего видеть в раннем возрасте (скажем, у него врожденная катаракта ), то необходимые нейронные связи в его мозге уже никогда не образуются, и человек не научится видеть. Даже если во взрослом возрасте у этого человека прооперировать катаракту, он всё равно останется слепым. Проводились довольно жестокие опыты на котятах, которым в новорожденном состоянии зашивали глаза. Котята вырастали, так ни разу ничего и не увидев; после этого им уже во взрослом возрасте снимали швы. Глаза у них были здоровые, глаза видели свет — но животные оставались слепыми. Не научившись видеть в детстве, они уже не способны были сделать это во взрослом возрасте. То есть существует какой-то критический период, в который образуются нейронные связи, необходимые для развития зрения, и если мозг не научится видеть в этот период, он уже не научится этому никогда. То же относится и к слуху, и, в меньшей степени, к другим человеческим способностям и умениям — обонянию, осязанию и вкусу, способности говорить и читать, играть на музыкальных инструментах, ориентироваться в природе и так далее. Яркий тому пример — «дети Маугли», которые потерялись в раннем детстве и были воспитаны дикими животными. Во взрослом возрасте они так и не могут освоить человеческую речь, поскольку не тренировали у себя в детстве это умение. Зато они способны ориентироваться в лесу так, как не сможет ни один человек, выросший в цивилизованных условиях.

И еще. Никогда не знаешь, в какой момент «выстрелит» какое-то умение, приобретенное в детстве. Например, человеку, который в детстве активно тренировал мелкую моторику рук, занимаясь рисованием, лепкой, рукоделием, будет легче стать хирургом, проводящим филигранные, точные операции, в которых нельзя допустить ни одного неправильного движения. Иными словами, если что и может заставить мозг работать лучше, то это — тренировка, причем тренировка с самого детства. Чем больше мозг работает, тем лучше он работает, и наоборот — чем меньше его нагружать, тем хуже он будет функционировать. И чем мозг младше, тем он более «гибкий» и восприимчивый. Именно поэтому в школах учат маленьких детей, а не взрослых дяденек и тетенек. Именно поэтому дети гораздо быстрее взрослых умеют приспосабливаться к новым ситуациям (например, осваивают компьютерную грамоту или учат иностранные языки). Именно поэтому тренировать свой интеллект надо с самого детства. И если вы будете это делать, то ничто не помешает вам сделать великие открытия. Например, о том, как работает мозг.

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.

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.

Мозг наиболее сложно устроенный орган человека. Ведь он отвечает за работу всех органов, а также за множество сложнейших процессов, таких как память, мышление, чувства, речь. Кроме того, мозг человека отвечает и за сознание. Давайте разберемся, как работает мозг.

Мозг является центральным органом нервной системы. Расположен он в черепной коробке, которая защищает его от повреждений и воздействия температуры. У взрослого человека мозг весит в среднем 1,4 кг, внешне он похож на большой грецкий орех. Состоит мозг из серого и белого веществ, которые состоят из нервных клеток и нервных волокон. Нейроны подают и принимают электрические сигналы всем органам тела по сети нервных окончаний. Головной и спиной мозг, а также нервные окончания по всему телу составляют нервную систему человека.

Анатомически мозг состоит из трех главных частей – ствол мозга, полушария, мозжечок. Кроме того, в мозге есть железы внутренней секреции, такие как таламус и гипоталамус. Разберём функции и строение каждой части, чтобы лучше разобраться с тем, как работает мозг человека.

Полушария мозга

Полушария головного мозга являются его самой большой частью. Они составляют примерно 90% всего объема. Полушария делят мозг на две примерно равные части, соединенные плотной перемычкой – мозолистым телом. По структуре полушария состоят из серого и белого веществ. Серое вещество составляет поверхность мозга и состоит из сложно устроенных нервных клеток, которые генерируют электрические импульсы. А белое вещество, которое находится внутри полушарий, состоит из нервных волокон. Они передают сигналы по всему телу.

Сложное устройство полушарий головного мозга позволяет им отвечать за множество функций организма человека, большая часть которых относится к высшей психической деятельности, например, память, мышление и т.п. Физиологически это представляет собой чёткое разделение на зоны, которые внешне никак не заметы. Каждая зона отвечает за определенные функции человека. Подробно ознакомиться с тем, за что отвечают полушария, вы можете в одной из наших статей – " ".

Мозжечок

Мозжечок находится в задней части мозга, чуть ниже затылка. Мозжечок получает двигательные сигналы от полушарий, после чего сортирует их, конкретизирует и посылает сигналы в определенные мышцы или сухожилия. Мозжечок отвечает за движения, как отдельных мышц, так и за общую плавность и координацию движений человека.

Ствол мозга

Ствол мозга находится у основания и соединяет головной мозг со спинным. Ствол мозга, отвечает за жизненно важные автоматические процессы, такие как сердцебиение, пищеварение, температура тела, дыхание и т.п.

Гипоталамус и таламус

Гипоталамус - железа внутренней секреции, которая отвечает за множество сложных функций и проявлений человека. К примеру, он контролирует голод, сон, жажду, а также сильные эмоции – гнев, радость, страх. Расположен гипоталамус на вершине ствола мозга.

Таламус же в свою очередь, является координатором всех желез человека. Имея размер не больше, чем горошина, таламус регулирует выделение всех гормонов в организме.

Как работает мозг: внутренний процесс

На первый взгляд работа мозга кажется предельно простой. Нервные импульсы, поступают в одно полушарие, где они считываются и перерабатываются. Затем, они посылаются в нужную часть организма. Кстати говоря, сигналы, идущие с правой стороны тела, посылаются в левое полушарие.

В общем, можно сказать, что мозг – орган, контролирующий все процессы тела. С помощью нейронной сети он руководит телом, подобно дирижеру, указывая, что и какому органу нужно сделать.

Нейронная сеть человека, состоит из нервных клеток – нейронов. Они в своем строении имеют несколько входов – дендритов, и один выход – аксон. Можно сказать, что нейрон получает множество сигналов, суммирует их и выдает один общий выходной сигнал, который и передается дальше. Нейроны человека имеют способность «обучаться» - в ходе жизни, они могут изменять свою пороговую сумму сигналов. Когда нейроны увеличивают сумму сигналов - происходит обучение человека, а когда сумма сигналов уменьшается, у человека происходит забывание или потеря навыка.

Теперь вы знаете, как работает мозг. Считается, что мозг во много раз мощнее, чем любой из созданных компьютеров. В человеческом мозге порядка 100 млрд. нервных клеток, которые постоянно умирают и появляются, а также имеют свойство развиваться.

Для того чтобы мозг постоянно развивался, ему необходимо работать. Практические советы для этого вы можете найти в одной из наших статей - "

Уже более 100 лет учёные бьются над вопросом: как работает мозг человека? Открытий сделано очень много, но тайн и загадок от этого меньше не стало. Серое вещество, покоящееся в черепной коробке, представляет собой уникальнейшее образование. При небольших размерах и массе, относительно человеческого тела, оно потребляет 20% всего кислорода, который поступает в лёгкие.

Мозговое вещество полностью формируется в возрасте 7 лет. При этом ему требуется гораздо больше энергии, чем в зрелые годы. Оно абсолютно нечувствительно к боли, так как не имеет соответствующих рецепторов. Благодаря серому веществу, люди осязают, ощущают, видят, говорят, слышат. Но самое главное, человек способен думать, выражать эмоции и принимать решения.

Сколько нейронов в человеческом мозге?

Нейрон - это специфическая нервная клетка, имеющая отростки. Эти отростки соприкасаются с отростками других нейронов. В результате получается огромная сеть, через которую передаются различные сигналы. А вот каналы или нервные пути, по которым идут сигналы, называются синапсами. Вся эта сложная система в совокупности и представляет собой мозг человека. Сколько же в нём содержится нейронов?

Уже давно существует число 100 млрд. Якобы, именно оно и обозначает общее количество нейронов. Но каждый понимает, что данная величина приблизительная. Да и действительно, как посчитать все микроскопические клетки, не упустив ни одной? Задача просто невыполнимая.

Однако нейробиологи из Дании сумели сделать это. Они взяли 4 мозга умерших людей и провели с ними изотропную фрактализацию. Выражаясь простым языком, разжижили мозги и превратили их в гомогенную эмульсию или "мозговой суп". После этого были изучены образцы "супа" и подсчитано количество нейронов в них. Далее математическим путём рассчитали общее количество нервных клеток во всех 4-х исследуемых образцах мозга.

В результате этого выяснилось, что серое вещество содержит в себе примерно 86 млрд. нейронов. Ни один из 4-х образцов не набрал 100 млрд. клеток. Конечно, неискушённому человеку может показаться, что разница в 14 млрд. абсолютно непринципиальная. Но именно из такого числа нейронов состоит серое вещество бабуина. А у гориллы насчитывается 28 млрд. нейронов. Так что числа 100 и 86 представляют собой довольно существенное различие.

Размеры мозга и умственные способности

Иногда в литературе проскальзывает мысль, что чем больше у человека объём серого вещества, тем, соответственно, больше и ума. Данное утверждение довольно сомнительное, но всё познаётся в сравнении. Если, к примеру, взять мозговое вещество дельфина и муравьеда, то здесь сразу видно, что у дельфина объём больше, а ума больше и подавно. Но не стоит торопиться с выводами.

Давайте посмотрим на корову и обезьяну. Кто умнее? Конечно, обезьяна. Но мозги коровы по своим размерам значительно превосходят мозги приматов. Можно сравнить человека и кита. Средний вес серого вещества человека составляет 1,2 кг, а у огромного млекопитающего этот показатель равен 6,8 кг. Однако интеллектуальные возможности людей на несколько порядков выше. Отсюда можно сделать вывод, что размеры мозга никак не связаны с умственными способностями.

Зависит ли количество нейронов от объёма мозга?

Данный вопрос совсем не простой, как может показаться на первый взгляд. Размеры мыслительного органа у разных животных сильно различаются. При этом до недавних пор превалировало мнение, что плотность нервных клеток (отношение количества к массе) является величиной постоянной, независимо от видов и классов живых существ.

Однако в настоящее время доказано, что это вовсе не так. В наши дни достоверно известно, что у разных млекопитающих абсолютно разные правила расчёта нейронов. То есть в 1 грамме мозговой ткани может быть совершенно разное количество клеток.

В мозгах тех же приматов количество нейронов увеличивается пропорционально объёму серого вещества. А вот у грызунов пропорциональности никакой нет. У этих животных с увеличением объёма мозговой ткани количество нервных клеток уменьшается. Что же касается насекомоядных, то тут наблюдается комбинация - грызуны + приматы. Серое вещество увеличивается быстрее по-сравнению с количеством нейронов. А вот для мозжечка характерна линейная скорость роста, как и у приматов.

Вывод здесь следующий: именно мозги приматов устроены наиболее эффективно, так как максимально используют весь доступный объём. Если количество нейронов у приматов увеличить в 10 раз, то это приведёт к 11-кратному увеличению объёма мозгового вещества. А у грызунов объём увеличится в 35 раз. Если представить грызуна, у которого насчитывается 86 млрд. нейронов, то тогда вес его серого вещества будет составлять 35 кг.

Мысли и мозг человека

Работа мозга человека напрямую связана с мыслительной деятельностью. И вот тут наблюдается самое интересное. Биологическая масса, из которой и состоит серое вещество, не может вырабатывать мысли. Да, в ней наблюдается огромное количество химических и электрических процессов. Но они никак не связаны с мыслительной деятельностью, а тем более с чувствами и переживаниями. То, что делает человека "венцом природы", лежит вовсе не под черепной коробкой. А где же тогда?

Существует мнение, что кора головного мозга является всего лишь передающим устройством. Откуда-то извне к ней идут сигналы. Они воспринимаются нейронами, и таким образом зарождаются мысли. А может быть, всем руководит молекула ДНК . Именно она и генерирует определённые мыслеобразы, а человеку кажется, что думает именно он и думает при этом головой.

В любом случае, можно лишь догадываться и фантазировать. Сам же процесс мыслеобразования представляет собой тайну за семью печатями. Познать её не дано никому. Остаётся лишь принять данную информацию как должное. В то же время напрашивается логический вывод: если мысли рождаются не у нас в голове, то, стало быть, они не наши, а тогда и слушать их не стоит? Они чужаки и частенько провоцируют людей на неправильные поступки.

Таким образом, вопрос - как работает мозг человека? - остаётся без ответа. Мы лишь знаем, что в нём существует огромное количество нейронов, связанных синапсами. Нейроны объединены в группы, каждая из которых выполняет определённые функции. Это осязание, обоняние, слух, зрение, координация и многое-многое другое. Но вот что порождает мысли и чувства - тут ответа нет. А ведь это самое главное в жизнедеятельности людей. Всё остальное – обычные химические процессы, которые может познать любой человек при должном усердии и трудолюбии.

Дмитрий Шестаков