Глава 7.
Схожесть смоделированной сети и мозга человека.

Прежде чем приступить к сравнению представленной модели с биологической нервной системой, хочу обратить внимание на то, что автор не претендует на истинность и допускает, что все может работать по другим принципам, отличным от изложенных в данной книге. Конечно, эту часть книги должны писать специалисты в нейрофизиологии. Но как разобраться в том, как работает разумная структура, состоящая из миллиардов нейронов, если не предпринимать любых попыток.

Вспомните правила «мозгового штурма». Собираются в одной комнате различные сотрудники и начинают высказывать самые различные идеи. Принимаются все, даже нереальные. А потом компетентные специалисты проводят отсев идей. И во всей этой куче может найтись что-нибудь стоящее. Эту книгу можно рассматривать, как одну из таких записок с идеей. И, несомненно, дать оценку моему труду должны нейрофизиологи, психологи, математики и программисты. И если представленная концепция поможет сделать еще один шаг в сторону разгадок тайн центральной нервной системы, то это станет самой большой для меня наградой.

Чем же такое представление нейронной сети может иметь сходство с центральной нервной системой? Можно изобразить эту схему в том виде, в котором она может существовать в биологической сети. В качестве основы возьмем простейшее изображение рефлекторной дуги.

Видно, что она имеет три нейрона – афферентный (восходящий, получающий сигнал от рецептора), эфферентный (нисходящий, подающий сигнал на мышцу) и вставочный нейрон. Создадим такую же дугу, но без эфферентного нейрона и замкнем связь от вставочного на рецепторный. Таким образом вставочный нейрон превращается в эфферентный. Далее составим цепь из таких дуг. Одна дуга образует связанную пару зеркальных узлов симметричных деревьев.

Разделим цепочку на слои-уровни, в каждом из которых располагаются афферентный нейрон одной дуги и эфферентный нейрон другой.

Далее развернем каждый слой на 90 градусов, при этом связи перекрутятся.

Мы знаем, что отростки-связи от аксона могут образовываться по всей его длине. Таким образом из оного слоя может передаваться сигнал в следующий слой. На рисунке показаны такие связи в поле 2. Они-то и образуют восходящие и нисходящие связи нашей изначальной схемы. Афферентные нейроны в слоях являются узлами восходящего дерева, а эфферентные – нисходящего. Также имеются связи между афферентными нейронами в каждом слое, которые являются горизонтальными связями нашей схемы. Соответственно и связи между эфферентными нейронами в пределах одного слоя образуют горизонтальные связи нисходящего дерева.

2

А теперь совершим небольшой экскурс в учебник по биологии (далее использованы иллюстрации из интернета). Известно, что мозг представлен серым и белым веществами.

Серое вещество представляет из себя в общем виде тонкую ткань толщиной 1,3—4,5 мм и площадью около 2,5 кв. м. (одно полушарие), уложенную складками в округлую форму черепа. Именно в ней и находится основная масса нейронов. Иначе серое вещество называют корой головного мозга. В ней содержится около 10-14 млрд нервных клеток. Они представляют собой места высшего анализа и синтеза нервных импульсов. Различные участки этого полотна отвечают за работу различных органов или реализацию различных функций, что делает предположение о наличии границ этих участков. Иначе они называются полями Бродмана.

Белое же вещество является, по сути, кучей проводов (аксонов). Из них выделяют следующие типы волокон:

• ассоциативные волокна — связывают отдельные участки коры одного полушария

• комиссуральные волокна — соединяют кору двух полушарий

• проекционные волокна — соединяют кору с ядрами низших отделов центральной нервной системы.

В разрезе коры веделяют шесть функциональных слоев:

1. Молекулярный

2. Наружный зернистый

3. Пирамидальных нейронов

4. Внутренний зернистый

5. Ганглионарный (Образован крупными пирамидными клетками)

6. Слой полиморфных клеток.

Молекулярный слой

Молекулярный слой коры содержит небольшое количество мелких ассоциативных клеток. Их аксоны проходят параллельно поверхности мозга в составе тангенциального сплетения нервных волокон молекулярного слоя. Основная масса волокон этого сплетения представлена ветвлениями дендритов нейронов нижележащих слоёв.

Наружный зернистый слой

Наружный зернистый слой образован мелкими нейронами диаметром около 10 мкм, имеющими округлую, угловатую и пирамидальную форму, и звёздчатыми нейронами. Дендриты этих клеток поднимаются в молекулярный слой. Аксоны или уходят в белое вещество, или, образуя дуги, также поступают в тангенциальное сплетение волокон молекулярного слоя.

Слой пирамидальных нейронов

Является самым широким по сравнению с другими слоями коры головного мозга. От верхушки пирамидной клетки отходит главный дендрит, который располагается в молекулярном слое. Дендриты, берущие начало от боковых поверхностей пирамиды и её основания, имеют незначительную длину и образуют синапсы со смежными клетками этого слоя. Аксон пирамидной клетки всегда отходит от её основания. В мелких клетках он остаётся в пределах коры; аксон же, принадлежащий крупной пирамиде, обычно формирует миелиновое ассоцативное или комиссуральное волокно, идущее в белое вещество.

Внутренний зернистый слой

В некоторых полях коры развит очень сильно (например, в зрительной зоне коры). Однако в других участках он может отсутствовать (в прецентральной извилине). Этот слой образован мелкими звёздчатыми нейронами. В его состав входит большое количество горизонтальных волокон.

Ганглионарный слой (Внутренний пирамидный слой)

Образован крупными пирамидными клетками, причём область прецентральной извилины содержит гигантские клетки, описанные впервые российским анатомом В. А. Бецем в 1874 году (клетки Беца). Их аксоны в основном оканчиваются на мотонейронах (нейроны, управляющие движениями мышц) мозгового ствола и спинного мозга.Перед выходом из коры от пирамидного пути отходит множество коллатералей (ответвлений).

Слой полиморфных клеток

Образован нейронами различной, преимущественно веретенообразной формы. Аксоны клеток полиморфного слоя уходят в белое вещество в составе эфферентных путей головного мозга. Дендриты достигают молекулярного слоя коры.

Как видно, разобраться во всем этом многообразии и хитросплетении без построения стройной теории практически невозможно. Но давайте попробуем найти связь между нашей моделью параллельных деревьев и реальной структурой ЦНС. Предлагаю два варианта:

Первый:

• Восходящие нейроны каждого слоя в нашей модели могут быть представлены клетками второго и третьего слоя.

• Нисходящие нейроны могут быть представлены пирамидальными клетками (клетки Берца) пятого слоя.

• Ассоциативные вертикальные связи могут образовываться в первом (молекулярном) слое.

• Внутренний зернистый слой получает входы от таламуса и поэтому может передавать на нисходящие нейроны дополнительное усиление сигнала.

• Слой полиморфных клеток включает обратные проекции к таламусу и может служить в качестве передатчика сигнала в блок памяти силы воздействия

• Горизонтальные связи представлены боковыми ответвлениями аксонов.

Второй вариант основан на последних открытиях в области нейрофизиологии, которые сообщают о том, что нейроны могут образовываться из клеток нейроглии (заполнение между нейронами), а пирамидальные нейроны могут образовываться из мелких нейронов:

• Восходящие и нисходящие нейроны образуются во втором слое.

• Более развитые из них составляют третий слой.

• Пятый слой составляют развитые эфферентные нейроны, управляющие движением.

• Ассоциативные вертикальные связи могут образовываться как в первом (молекулярном) слое, так и во внутренних слоях.

• Горизонтальные связи представлены боковыми ответвлениями аксонов.

Каждый орган представлен выделенным участком на плоскости коры.

3

Базальные ганглии являются парными образованиями и состоят из ядер серого вещества, разделенных прослойками белого — волокон внутренней и наружной капсул мозга. Большой размер этих ядер и подобие в структуре у различных видов дают основание предполагать, что они вносят большой вклад в организацию работы мозга наземных позвоночных животных.

Нейрофизиология сообщает об основные функциях базальных ганглиев:

• Участие в формировании и хранении программ врожденных и приобретенных двигательных реакций и координация этих реакций (основная)

• Регуляция тонуса мышц

• Регуляция вегетативных функций (трофические процессы, углеводный обмен, слюно- и слезотечение, дыхание и т.д.)

• Регуляция чувствительности организма на восприятие раздражений (соматических, слуховых, зрительных и др.)

• Регуляция (эмоциональные реакции, память, скорость выработки новых условных рефлексов, скорость переключения с одной формы деятельности на другую).

Очевидно, что применительно к нашей модели, базальные ганглии совместно с таламусом являются тем самым блоком памяти силы воздействия, о котором говорилось в пятой главе. Совместно с сердцем этот механизм является основным биологическим источником жизненной энергии, заставляющей организм реагировать на внешнюю среду.

Общим полем для всех органов, в котором устанавливаются реактивные и ассоциативные связи между органами может являться так называемое мозолистое тело (лат. corpus callosum) — сплетение нервных волокон в головном мозге млекопитающих, соединяющее правое и левое полушария. Является самой большой структурой, соединяющей полушария. Волокна в мозолистом теле проходят главным образом в поперечном направлении, связывая симметричные места противоположных полушарий, но некоторые волокна связывают и несимметричные места противоположных полушарий, например лобные извилины с теменными или затылочными, или разные участки одного полушария (так называемые ассоциативные волокна).

Основными функциями мозолистого тела выделяют следующие:

1. Очевидная функция — соединение правого и левого полушария физически, поскольку мозолистое тело располагается в глубине продольной щели между полушариями. Нервные волокна соединяют как симметричные отделы разных полушарий, так и несимметричные, а также разные отделы одного полушария.

2. Информационная связь между полушариями. Волокна нейронов (белое вещество) веером расходятся во всех направлениях, передавая информацию, полученную разными долями полушарий.

3. Координация работы полушарий. Мозолистое тело обеспечивает не только обмен полученной информацией между левым полушарием и правым, оно также отвечает за анализ этой информации и адекватную реакцию.

Приведу краткую схему модели и сравнение ее основных составляющих с составляющими ЦНС.

1. Внутренний автономный генератор импульсов (сердце).

2. Блок памяти силы воздействия. Также выполняет функцию распределения внутренних импульсов по системе. (базальные ядра)

3. Управляющий модуль. Задает требуемую мощность генератору. Управляет восприимчивостью нейронов в зависимости от ситуации - угроза разрушения, либо нейтральная или благоприятная обстановка. (таламус с гипофизом)

4. Общее поле. Создаются ассоциирующие связи между органами и связи, отвечающие за рефлекс. (мозолистое тело)

5. Участок коры – модель обработчика информации, поступившей с рецепторного органа. (слуховые, зрительные поля и т. п.) Состоят из нескольких слоев (на рисунке разделены пунктиром). Количество слоев определяет глубину синтеза.

6. Участок коры – модель обработчика информации, циркулирующей в эффекторном органе. (двигательные зоны коры) Также состоят из нескольких слоев.

7. Участок коры – модель обработчика информации, принимаемой от верхних слоев первичных обработчиков (лобные доли). Здесь осуществляется высшая психическая деятельность на основе операций с речью.

8. Раздел между вертикальными слоями сети

Узел 1:

9 - Восходящий нейрон; 10 - Аксон нисходящего нейрона; 11 - Вертикальная нисходящая связь (анализ); 12 - Вертикальная восходящая связь (синтез); 13 - Синаптическая щель; 14 - Принимающий участок связи (дендрит); 15. - Передающий участок связи (аксон); 16 - Нисходящий нейрон; 17 - Восходящая связь на следующий уровень; 18 - Горизонтальные связи восходящего дерева; 19 - Горизонтальные связи нисходящего дерева; 20 - Нисходящая связь первого уровня.

Конец первой книги

Опубликовано 23.11.2019