Глава 4 – Нейроны, нейронная сеть, мысли (2015-2017 годы)

Эдуард Ромо (Абдуллин Эдуард Юрисович), главы из книги «Теория Разума».

Глава 4 – Нейроны, нейронная сеть, мысли (2015-2017 годы)

Исследователями прежних лет введено в науку множество терминов, таких как «память», «сознание», «подсознание». К сожалению, все эти термины ничего не объясняют, а только создают иллюзию, что мы что-то знаем о нашем Разуме. Ни в самом мозге (как в механизме), ни в самом Разуме (как в результате работы этого механизма) нет никакого физического воплощения тех понятий, которые подразумеваются нами под вышеуказанными (и множеством других) терминами. То есть, нет таких кусочков или деталей в мозге (клеток, отделов и т.д.), глядя на которые можно было бы сказать, что этот элемент и есть «память», а вот этот есть «сознание». В мозге в целом есть только нервные клетки и бегущие по ним волны. Часть этих волн и есть «память», другая часть есть то самое «сознание» (об этом в других главах про «Я»). Все эти волны в целом можно называть привычным для нас термином «мысль». То есть, мозг – это биологическая машина, состоящая из клеток, по которым бегут волны, и эти волны и есть мысли. Разум – это результат работы этой машины на физическом уровне (в предыдущей главе я сказал о том, как он работает на концептуальном или архитектурном уровне, копируя Вселенную внутри себя), который заключается в производстве этих волн-мыслей и во взаимодействии этих мыслей между собой.

Здесь нам важно не углубляться слишком уж в детали устройства элементов мозга, а постараться увидеть общий механизм в целом. Однако, когда будет необходимо, то будем приводить и некоторые детали.

Один нейрон (или клетка глии, если она участвует в процессе) может участвовать в формировании разных мыслей одновременно, и один нейрон не может быть мыслью.

В отличие от многих менее разумных существ человек обладает способностью (возможно, найденной эволюцией случайно) маркировать одну мысль с помощью другой мысли. Мы называем это абстракцией (высшие животные тоже умеют это). Мы получаем доступ к такой информации в том числе, и с помощью еще одной мысли – нашего «Я» (или «сознания»).

Что не является в мозге мыслями? Это, скорее всего, волны, которые работают в эволюционно более старых отделах мозга (по сравнению с новой корой - неокортексом). Эти нервные сигналы (внешне такие же цепочки сигналов, то есть те же волны, как и в коре) выполняют специфические функции. Например, функции передачи информации к мышцам (от спинного мозга в ладонь и т.д.). Или это могут быть какие-либо выделенные функционально группы нейронов, отвечающих, например, за координацию тела (мозжечок), или отвечающие за другие специализированные функции нашего организма (управление ритмами сна и бодрствования, выработка гормонов и т.д.). В коре же мозга (неокортексе) мыслями является все: представления о внешнем и внутреннем мире, аспекты восприятия собственного организма, автоматические реакции, которыми управляет кора и т.д. Особняком стоит вопрос об эмоциях, так как эта часть нашего Разума, по-видимому, управляется не только корой, но и одним из старых отделов мозга.

Мысль – это модель вещи Вселенной внутри Разума, тот самый шифр, с помощью которого мозг и воссоздает внутреннюю вселенную. Информацию из внешнего мира Разум получает с помощью сенсоров. У человека есть пять основных сенсорных систем (зрение, слух, обоняние, восприятие вкуса и осязание). Но информацию о внешнем мире наш Разум получает не только от сенсоров. Есть и не сенсорная информация, например, наши размышления, желания, идеи. Эту не сенсорную информацию я называю «обратной петлей», так как на вход Разума приходит информация, которая исходит от самого же Разума. Под «входом» здесь я подразумеваю не какой-то физический элемент подобный глазу или уху, а подчеркиваю лишь саму возможность Разума в качестве приемника информации иметь еще один дополнительный канал поступления данных (пусть и собственных, это сути не меняет). Этот источник данных объясняет наше «шестое чувство» (интуицию), факты внезапных прозрений, открытий и творчества.

Теперь перейдем к некоторой конкретике.

В коре (неокортексе), где живут наши мысли, нейроны расположены не сплошной трехмерной сетью, заполняющей всю нашу черепную коробку и даже не отдельными группами в определенных местах (скопления нейронов в группы, называемые ганглиями, есть в старых отделах мозга).

Представьте себе большой апельсин размером с футбольный мяч, с которого аккуратно сняли кожуру так, чтобы эта кожура не потеряла шарообразную форму. Это и есть аналогия с корой нашего мозга. То есть, кора мозга – это не шар, а плоскость. А теперь представьте, что эту кожуру всунули внутрь черепа под его свод, пытаясь сохранить шарообразную форму кожуры (так как в центре надо оставить еще пустое место для старых отделов мозга). Так как размер черепной коробки меньше чем размер футбольного мяча, то наша воображаемая кожура изогнется в некоторых местах и образует складки. Это и есть те самые извилины, знакомые большинству людей по картинкам и фотографиям человеческого мозга. Одновременно кора окружает старые отделы мозга, которые находятся условно в основании и по центру черепа. Толщина коры в среднем несколько миллиметров (от 1,5 до 5). Все главные клетки (нейроны) коры мозга разделены на отдельные столбики более-менее изолированных друг от друга групп нейронов. В каждом таком столбике примерно 5000 нейронов. Всего таких столбиков на всю кору порядка 2-3 миллионов. То есть каждый такой столбик и составляет толщу коры. Внутри столбика друг над другом располагаются несколько слоев разных по форме и типу нейронов (сейчас принято считать, что таких слоев 6, в литературе более раннего периода говорили, что слоев 7-8, подробную информацию об этом вы можете самостоятельно найти в сети). Столбик этот не ограничивается в ширину одним нейроном, их достаточно много (диаметр этого цилиндра от 200 до 500 мкм). По подсчетам ученых в одном столбике порядка 5000 тысяч нейронов, расположенных слоями. Если слоев около 6, то можно сделать вывод что внутри каждого столбика в каждом из слоев несколько сотен нейронов. Но надо при этом учитывать, что у основания столбика находятся более крупные нейроны и их, разумеется, может быть на порядок меньше, чем в верхних слоях. Я очень схематично (не соблюдая размеры, пропорции и даже примерное число нейронов в столбике) проиллюстрировал вид нейрона, столбика и самой сети ниже на рисунках 5-7.

Рис. (Fig.) 5

Рис. (Fig.) 6

Рис. (Fig.) 7

Нейроны коры окружены вспомогательными клетками нейроглии, которые представляют собой как бы саму ткань коры, ее скелет. Клетки глии служат не только как каркас, но и участвуют в снабжении нейронов нужными веществами. Они также участвуют в процессе выработки и доставки в нужное место нейромедиаторов – специальных молекул, которые вырабатываются в мозге и служат передатчиками сигналов волны (например, от нейрона к нейрону). Вышеуказанный столбик нейронов представляет собой отдельную функциональную единицу (его еще называют модулем). На рисунке 8 ниже я схематично отметил, как располагаются столбики внутри толщи коры.

Рис. (Fig.) 8

Именно этот столбик, по мнению многих ученых и играет роль того самого первичного элемента мышления. С внутренней стороны этого столбика коры (обращенной внутрь черепа) находятся крупные нейроны, которые имеют длинные отростки и служат для связи этого столбика с другими частями мозга (другими отдаленными столбиками или даже с другой половиной мозга, со старыми отделами мозга и т.д.). – На рисунке 8 они отмечены как серые линии под корой и названы «Аксоны нейронов». Эти отростки и составляют белое вещество мозга, а сама кора составляет серое вещество. Далее вглубь столбика по направлению к внешней стороне коры (которая обращена к костям черепа) расположены уже более мелкие нейроны, они обеспечивают связь по всему столбику, а также с прилегающими столбиками нейронов. Разумеется, я использовал цифры и размеры, которые на данный момент озвучиваются учеными, при этом я слегка утрировал общую картину, опустил многие детали. Опять же, я преследовал цель, чтобы мы увидели всю картину в целом, а не углублялись в детали (какие именно типы нейронов в столбике, какие еще бывают типы коры, что она не везде одинаковая по толщине и т.д.).

Я обрисовал всю эту картину вот почему. Большинство людей воспринимают мозг как некий шар, все мыслительные процессы в котором происходят где-то в глубине этого шара. Это очень плохая визуализация, она не соответствует действительности. А когда у человека нет четкой визуальной картинки того, что он исследует, то это может очень сильно навредить и не вывести на нужные вопросы, а значит и на ответы. На самом деле этот «шар» по сути полый, все мыслительные процессы происходят как раз на его поверхности. Шарообразная форма мозга является лишь уловкой для компактного размещения плоской ткани коры и более экономичного способа связи между разными участками.

Что важного в этом факте? Казалось бы, на первый взгляд, ничего особенного, просто прихоть эволюции. Но давайте задумаемся, почему эволюция пошла именно таким путем? Почему именно такая форма у новой коры в виде плоскости? Ведь в эволюционно более старых отделах мозга нейроны собирались в кучки (ганглии), а далее эти кучки уже связывались между собой отростками. Это наиболее рациональный путь с точки зрения использования окружающего пространства. Это трехмерный подход. Почему же в новой коре используется совсем другой подход к размещению клеток в пространстве (двумерный, то есть более простой)? Конечно, можно сказать, что эти самые столбики - это те же самые ганглии, просто для компактности расположенные именно так по прихоти эволюции. Так что разницы то при таком взгляде вроде бы и не особо много. Но если все-таки не отбрасывать очевидное?

Я думаю, что решающую роль в выборе этого подхода играет то, что форма плоскости является естественным ограничением для распространения волн в определенном направлении. На рисунке 8 я отметил направление распространения волн по коре от столбика к столбику. Форма коры в виде плоскости определяет сам принцип распространения волны в такой структуре: плоскость ограничивает возможное направление распространения волны в пространстве, принять волну от столбика могут только соседние столбики. При этом подходе исключена сама возможность, чтобы волна могла прийти в какой-то столбик окольными путями. В нужном случае такая окольная связь с не соседними столбиками осуществляется специальными отростками от столбика (нижние аксоны белого вещества – в нижней части рисунка 8), но число таких связей неизмеримо меньше, чем если бы вся кора была бы не плоской структурой, а трехмерной сетью. Организация коры в виде трехмерной структуры теоретически, видимо, возможна и позволила бы, к примеру, увеличить мощность всей сети в искусственном интеллекте. Но, одновременно с этим, такая организация потребовала бы совсем другого устройства такого элемента, который сейчас воплощен как столбик нейронов. Но для работы по созданию искусственного интеллекта этот вопрос, конечно же, остается открытым. Не все, что делает природа, является оптимальным.

Рис. (Fig.) 9

На рисунке 9 выше я подвел как бы логический итог того, какой результат дает вся эта структура коры мозга. Разными цветами я отметил для примера три разные цепи столбиков нейронов, олицетворяющие собой три разных объекта (для примера, на рисунке я назвал их «любовь», «камень» и «Я»). Разумеется, эти линии условны. В реальном шифре мозга участвуют миллионы цепочек и они, разумеется не подсвечены разными цветами, но суть процесса того как выглядит мысль на коре мозга именно такова. При активации какой-то конкретной цепи происходит запуск всей нужной цепочки столбиков, отвечающей за воссоздание в нужный момент нужного объекта во внутренней вселенной Разума. Эти цепи постоянно активируются и выключаются, попутно запуская другие цепи сети, которые попадают в поле зрения такой же отдельной цепочки под названием «Я». Все вместе это и есть процесс работы нашего мозга и Разума. На рисунке я просто привел условную схему того, как это выглядит со стороны.

Какую цель выполняет в данном описании группировка нескольких тысяч нейронов в отдельные столбики? Эти столбики выполняют анализ информации, которая приходит с внешнего контура и которая должна уйти вовне. Это аналоги наших компьютеров, цель которых получить сигнал, правильно его идентифицировать и направить в нужные соседние столбики или на выход из столбика.

Изложение выше рассказывает о том, как в целом устроена сеть нейронов в коре мозга. Также выше я написал, что нейроны связываются между собой с помощью особых молекул - нейромедиаторов. Вот тут нужно остановиться более подробно, потому что опять же у большинства людей, которые знакомятся с устройством мозга по научной и популярной литературе складывается не совсем верная визуальная картинка всего это процесса и в этой части тоже. Поэтому надо разобрать этот момент более детально.

Итак, что такое нейрон в целом? На рисунке 5 выше иллюстрируется, что нейрон состоит из множества длинных отростков, которые называются дендритами и одного (чаще всего) очень длинного отростка, который называется аксоном. Принцип работы заключается в том, что волновые сигналы движутся по этим самым дендритам к центру нейрона. Нейрон как система в целом работает как электронный сумматор. Когда уровень всех сигналов с дендритов превышает определенный порог в центре клетки, то далее от этого центра по самому длинному отростку аксону запускается сигнал, исходящий от клетки. Аксон в своем окончании имеет разветвление, к которому подсоединены дендриты других нейронов. Сигналы на дендритах бывают как возбуждающими, так и тормозящими (по типу синапса). Давайте представим себе все это визуально. Перед нами нейрон для испытания. Чтобы он активировался, надо, допустим, набрать 100 возбуждающих сигналов с его дендритов (цифра условная, лишь для примера). Допустим, что аксоны 150 других нейронов прислали свои волновые сигналы. К этим 150 аксонам подключены дендриты нашего испытуемого нейрона, которые получили возбуждающие сигналы. Вроде бы порог в 100 сигналов уже достигается, но еще 70 тормозящих сигналов пришло по другим дендритам нашего нейрона. В результате наш испытуемый нейрон так и не возбудится и не отправит сигнал по своему аксону, так как в сумме пришедшие 150 возбуждающих сигналов и 70 тормозящих сигналов дадут в центре нейрона лишь величину 80, которая не достигает порога. В приведенном примере для наглядности я использовал небольшие величины, но реальное число дендритов у отдельного нейрона может доходить до десяти тысяч (в некоторой литературе встречаются цифры в 20 000). То есть, потенциально каждый нейрон может получать сигналы от десятков тысяч своих соседей и даже не только от соседей, но и очень отдаленных нейронов, так как аксоны имеют очень большую длину. На дендритах и аксонах располагаются специальные участки, которые называются синапсы. С помощью этих синапсов сигналы как раз и передаются от одного нейрона к другому. На дендритах есть даже специальные маленькие отростки, которые называют шипиками. На этих шипиках в том числе и располагаются синапсы. Если число самих дендритов доходит до 10 000, то можете себе представить число синапсов у одного нейрона.

Теперь кратко посмотрим на сам волновой сигнал в нейронной сети. Внутри нейрона волновой сигнал представляет собой вовсе не электричество, никаких электротоков в мозге нет. Можете сами посмотреть более подробно информацию об этом в сети Интернет. Я сформулирую кратко. Сигнал в нейроне представляет собой движение волны по поверхности (мембране) дендрита и аксона. Кое-что из электрического раздела физики все-таки есть. Молекулы кальция, натрия и других компонентов внутри и снаружи нейрона имеют разный по уровню электрический заряд (поэтому их называю ионами). Мембрана нейрона устроена таким образом, что при определенных событиях в клетке через специальные ворота впускает в клетку и выпускает из нее по-разному заряженные ионы разных элементов (допустим, кальций впускается в клетку, а натрий выпускается). Этим событием на дендрите является накопление сигналов в синапсах, а в центре клетки этим событием является достижение порогового значения сигналов от дендритов. Таким образом, по оболочке дендрита и аксона бежит волна перескока молекул натрия и кальция (и возможно других элементов) внутрь и наружу клетки. Процесс этот не быстрый (со скоростью электрической волны никак не сопоставимо и даже со скоростью звука не сопоставимо), но и не такой уж медленный. Волна движется иногда до нескольких метров в секунду. Эта волна не является аналоговой в том смысле, что она не может быть более сильной или менее сильной. Она просто либо есть, либо ее нет, то есть это как бы цифровой сигнал – либо ДА, либо НЕТ. Меняться может только частота этих сигналов. То есть, например, за секунду нейрон может отправить по аксону свой сигнал лишь один раз, или может отправить этот сигнал 10 раз. Все это будет зависеть, конечно же, от того, как отработала вся клетка: если на нее приходит очень много сигналов от других нейронов, то после обработки этих входящих сигналов нейрон вынужден будет работать быстрее. Но, разумеется, отправлять сигнал чаще, чем успевают восстановиться молекулы кальция и натрия нейрон не может. Когда сигнал этой волны доходит до конца аксона, то дальше в дело вступают синапсы. Что такое синапс на физическом уровне? Это места, где соседние нейроны почти соприкасаются с друг другом, между ними образуется тончайшая щель, называемая синаптической. На одной стороне синапса у отдающего сигнал нейрона расположен участок, на котором под оболочкой клетки расположены специальные мешочки. В этих мешочках хранятся особые сложные органические молекулы, которые называются нейромедиаторами. Их очень много видов. Для примера можно привести такие названия как серотонин, дофамин, адреналин и т.д. Но в мешочках нейрона хранятся не все виды медиаторов. Когда волна аксона достигает синапса, то из него высвобождаются эти молекулы. Медиаторы быстро проходят синаптическую щель и уже на участке синапса принимающего нейрона образуют более-менее устойчивые ворота, через которые опять же запускается процесс перетока ионов, что в свою очередь вызывает рождение нового сигнала уже в следующем нейроне. Чем чаще срабатывает синапс, тем больше таких ворот и тем устойчивее прохождение волны по этой связи. Вырабатываются нейромедиаторы внутри нейронов, но... Но вот тут-то и начинаются проблемы с визуализацией и пониманием общей картинки. Дело в том, что у любого нормального человека возникает вопрос – зачем нужно такое большое число нейромедиаторов (десятки уже известных науке видов). Ведь казалось бы, достаточно всего нескольких видов таких посредников. Один нужен был бы для передачи возбуждающего сигнала, другой для передачи тормозящего сигнала. Картина усложняется еще и тем, что многие нейромедиаторы рождаются лишь в определенных участках мозга, не в коре, а в старых отделах и попадают они в синаптические щели вовсе не из мешочков нейронов, а с помощью других действий (притоком крови и т.д.). Возникает еще один логичный вопрос. Допустим, какой-то нейромедиатор родился в какой-то структуре старого мозга, кровь доставила его в кору, он попал в синаптические щели многих нейронов и породил волны. Обратите внимание, что при этом никаких исходных сигналов в самих нейронах не было. То есть, волны в нейронах могут порождаться не только приходом волны с соседних связанных нейронов, но и попаданием в синапсы свободных медиаторов. Это очень усложняет картину в целом. До этого момента мы считали, что нейрон есть просто сумматор сигналов от соседних нейронов. Сейчас открывается картина, что нейрон суммирует не только сигналы от других нейронов, но и улавливает появление нейромедиаторов без сигналов. Теперь становится понятным и то, зачем нужно такое большое число нейромедиаторов. Одни нейромедиаторы являются тормозящими сигнал от другого нейрона, а другие являются возбуждающими, они рождаются в нейрона коры и служат именно процессу передачи волны из нейрона в нейрон. Остальные медиаторы рождаются вне нейронов коры и имеют свои особые рецепторы (ворота) на принимающей стороне синапсов, они служат для образования волн не от сигналов соседних нейронов, а от событий глобального характера. Какие-то из них мобилизуют организм в случае опасности, другие рождают ощущение удовольствия, третьи тормозят эти же процессы и так далее. Видимо, такая схема возбуждения волн в сети является частью более древней архитектуры нашего мозга и сохранилась до наших дней.

Итак, констатируем еще раз. В самих нейронах коры для связи нейронов между собой вырабатываются только те медиаторы, которые нужны для передачи сигналов именно между нейронами в коре. Но такие древние части нашего мозга, как эмоции или управление сном работают по другому принципу. В скоплениях нейронов в старых отделах мозга в каждой конкретной ситуации жизни (например, при опасности) рождаются специализированные нейромедиаторы, которые доставляются в кору кровью и порождают свои волны посредством своих синапсов. То есть, в нашей коре всегда есть путь для волны, которая означает, к примеру «страх» или «удовольствие». Но активировать эти конкретные дорожки нейронов можно только с помощью особых замочков на синапсах. То есть, просто наша умственная деятельность ни при каких обстоятельствах эти связи не активирует. Когда нужно, организм впрыскивает в кровь коры нужные ключики (адреналин и т.д.) и происходит активация именно этих дорожек, которые в свою очередь блокируют или просто мешают работе дорожек, которые были рождены обыкновенной передачей сигналов от нейрона к нейрону. То есть, налицо две системы рождения волн в коре.

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: