| luzina | Дата: Вторник, 12.11.2013, 19:14 | Сообщение # 1 |
|
Генерал-лейтенант
Группа: Администраторы
Сообщений: 622
Статус: Offline
| ПРОДОЛЖЕНИЕ ЛЕКЦИИ 12
Поэтому «специализацию» перечисленных отделов мозга следует понимать скорее функционально, т.е. как именно используется ими информация. Причем, в том смысле, что без этого отдела соответствующая функция не смогла бы осуществиться, т.е. он составляет звено, необходимое для осуществления данной функции. А не так, что этот отдел монопольно ее осуществляет.
Это можно пояснить таким примером. Ходьба, естественно, невозможна без ног. Но это не означает, что ноги сами по себе осуществляют функцию ходьбы. В действительности для этого необходима и деятельность сердца, и деятельность легких, и деятельность нервной системы. Короче — деятельность всего организма. Точно также безусловные рефлексы не осуществимы без спинного мозга, эмоции — без гипоталамуса, мышление — без коры. Но фактически и регулирует и чувствует, и мыслит весь мозг в целом.
Теперь попробуем посмотреть на мозг изнутри. Из чего он состоит, как работает?
Как любой живой орган, мозг состоит из клеток. Их можно грубо разделить на два типа. Один тип клеток получил название нейронов, другой — глни. Нейрон — ясно, от слова нервный. Глия в переводе означает «клей». Нейронов в мозгу примерно 10-14 миллиардов, т.е. в три раза больше всего населения земного шара. Клеток глии — в 10 раз больше, т.е. около 140 млрд. Но основной работающий аппарат мозга — это нейроны. Они ответственны за психическую деятельность. Глия же окружает нейронные клетки. Если взять зерна пшеницы, насыпать в глину и все это размять, получится примерная модель того, как нейроны внедрены в глии.
В основном клетки глии, по-видимому, служат для снабжения нейронов питанием. Сейчас есть предположение, что эти клетки глии также ответственны за дол-
говременную память, что в них записывается то, что человек помнит. Но это еще предположение.
Как устроен нейрон? Нейрон — это очень своеобразная клетка, непохожая на другие клетки организма. Внешний вид нейронов разнообразен и фантастичен. Встречаются нейроны звездчатые и корзинчатые, пирамидные и древовидные, похожие на осьминогов и напоминающие сороконожек. Но, при всем разнообразии форм, в любом нейроне можно выделить три части. Основную часть называют телом нейрона. Длина его меньше 0,022 сантиметра, объем одна тысячная кубического миллиметра, а вес не более одной стотысячной доли грамма. В этом крохотном объеме содержатся сотни тысяч различных химических веществ, идут одновременно тысячи сложнейших биохимических реакций.
От тела нейрона, извиваясь, разветвляясь протягивается множество коротких отростков — дендритов («древоподобных»). Дендриты воспринимают раздражения. Они служат, так сказать, «входом» нейрона. «Выходом» нейрона служит длинный (до 1 метра) ветвящийся отросток — аксон (по-гречески «хлыст»). Благодаря переплетению всех этих щупалец, ветвей и отростков образуется сложная сеть связей и переключений. Так, например, с аксона одного пирамидного нейрона может образоваться несколько тысяч переключений на тела других нейронов (через дендриты). «Не имеющий ног должен иметь длинные руки». Ведь нейроны неподвижны и плотно упакованы. А они должны достать везде, получить сведения отовсюду, начиная с внешнего мира, кончая самыми отдаленными уголками организма. Вот как внешне выглядит нейрон.
Как же он работает? Это было открыто лишь в последнее десятилетие.
Нейрон — это мешочек с тончайшими стенками, которые отделяют содержимое клетки от внешнего мира. Эти стенки нейрона называют мембраной, состоящей из четырех мономолекулярных слоев (протеин — липоид, липоид — протеин). Толщина мембраны составляет 0,00001 мм. Тем не менее, именно она является решающей в работе нервных клеток.
Мембрана имеет одно удивительное свойство: она способна пропускать ионы, т.е. заряженные осколки
257
9 За к. 2143 молекулы только в одном направлении. Кровь доставляет к нейрону ионы двух видов: ионы калия и ионы натрия. Они берутся из солей, растворенных в крови. Так, например, поваренная соль NaCl, растворяясь в крови, диссоциирует на Na+ и С1-. Точно так же кальциевые соли.
Так, вот мембрана работает следующим образом: она впускает через себя ионы калия и не впускает ионы натрия. Вернее, впускает их в 10—20 раз меньше. Что в результате получается? В результате внутри нейрона оказывается меньше ионов металла, чем снаружи. Соответственно, мембрана заряжается по отношению к внешней среде отрицательно. Нейрон превращается как бы в маленький конденсатор, емкостью около микрофарады, с удельным сопротивлением 0,4* 1012 ом-сантиметр и разностью потенциалов около 80 милливольт.
Это состояние нейрона называется состоянием покоя. Напряжение, создаваемое отрицательным зарядом внутренней стороны мембраны, называют потенциалом покоя. Его величина минус 70—80 милливольт.
Предположим, что на нейрон пришел сигнал. Что происходит? Электрический потенциал на теле нейрона понижается, происходит деполяризация. Когда это снижение потенциала достигает определенной для данного нейрона — пороговой — величины (например, —60 милливольт вместо 80), у основания аксона происходит внезапное изменение проницаемости его мембраны. Теперь наружные ионы натрия устремляются внутрь аксона, а избыток ионов калия выходит наружу. В итоге у основания аксона происходит перезарядка и этот участок приобретает положительный потенциал около +40 милливольт по отношению к окружающей жидкости. Разность потенциалов вызывает перемещение ионов в следующий участок и т.д. Таким образом, электрический импульс, или потенциал действия распространяется вдоль аксона. Скорость его распространения зависит от толщины аксона, а также других факторов, и колеблется от 1 до 100 метров в секунду. Как образно выразился один физиолог (Грей Уолтер), «Ток нервного импульса имеет вид электрохимического кольца около пяти сантиметров длиной, пробегающего вдоль нерва со скоростью до 100 метров в секунду и столь же неустойчивого, как кольцо дыма».
Описанный механизм довольно сложен. Но зато он обеспечивает важнейшее свойство нерва, как проводника: импульс проходит по нему, не ослабляясь. Как только импульс выдан, ионы натрия снова начинают выкачиваться наружу, и нейрон приобретает через одну-две тысячные секунды отрицательный заряд, т.е. опять создается потенциал покоя.
Таким образом, нейрон проходит четыре фазы в своей работе: фазу покоя (заряжен отрицательно, ионы натрия остаются снаружи); фазу возбуждения (ионы натрия закачиваются внутрь, нейрон перезаряжается и выдает импульсы тока); затем следует, так называемая, рефракторная фаза, в течение которой нейрон выкачивает из себя накопленный натрий и восстанавливает отрицательный потенциал. Во время этой рефракторной фазы нейрон не реагирует ни на что, ему нечем реагировать. Следующая фаза — фаза сверхувствительности, когда нейрон откликается на любое, даже самое слабое раздражение. И, наконец, за ней снова наступает фаза покоя. Нейрон опять готов к нормальной работе.
Возникает вопрос, как же все это происходит? Что там выкачивает ионы натрия, что закачивает их внутрь при его возбуждении и что снова возвращает их обратно, когда нейрон находится в рефракторной фазе? К сожалению, мы пока не знаем, как это происходит. Механизм «ионных насосов», неустанно работающий в нервных клетках, еще остается тайной нашего мозга. Пока что наиболее правдоподобно предположение, что это делают специальные органические молекулы-переносчики, имеющиеся в мембране.
Итак, мы с вами остановились на самом драматическом моменте в существовании любого живого существа: нейрон сработал, электрический импульс в аксоне возник. Что происходит с этим импульсом дальше?
Он перекидывается на соседние нейроны. Но происходит это совсем не так просто, как, например, в телефонном реле или электрическом переключателе.
Дело в том, что принципы передачи электрического сигнала в нейронных цепях иные, чем в цепях электрической связи, создаваемых техникой.
Каждый дендрит и ответвления аксона кончаются круглой бляшкой, похожей на тарелку, которую называют синапсом (в переводе — «застежка», «пуговица»).
Синапсы могут примыкать к телу нейрона или к его дендритам. Но (обратите внимание!) они никогда не касаются ни тела другого нейрона, ни другого синапса. Между ними всегда остается крохотное, в десятитысячную долю миллиметра пространство.
Итак, электрический импульс, чтобы с синапса попасть на тело или на дендрит другого нейрона, должен проскочит крохотное пространство между синапсом и другим нейроном.
Как это происходит?
Установлено, что под влиянием пришедшего импульса синапс выделяет особые активные химические вещества (так называемые медиаторы, т.е. «посредники»): ацетилхолин, сератонин, адреналин. Соприкоснувшись с телом соседнего нейрона, эти медиаторы возбуждают его, приоткрывая «дверь» для ионов натрия. Отрицательный заряд нейрона начинает уменьшаться. Как только медиатор совершил свою работу, выделяются «антимедиаторы», которые его разрушают. Например, ацетилхолин разрушается наступающей ему навстречу холинэстеразой, которая разлагает его на неактивные холин и уксусную кислоту. Затем истощившийся медиатор восстанавливается обратным синтезом, и синапс снова готов к работе.
Между прочим, если в мозг попадают вещества, похожие по составу на медиаторы (так называемые, психотомиметики), то этот механизм нарушается. Антимедиаторы не справляются со своей работой. Возбуждения нейронов своевременно не прекращаются, происходит хаотическое замыкание разнообразных связей. В умеренных дозах человек испытывает при этом просто психический подъем. На этом основано действие так называемых тонизирующих средств (кофе, фенамин, женьшень и т.д.). При более активных психото-миметиках вся психическая деятельность дезорганизуется, начинаются галлюцинации, непроизвольные движения и т.п. В этом, по-видимому, заключается суть действия наркотиков.
Для чего нужна такая сложная схема? Почему нельзя было бы просто передать импульс тока прямо с нейрона на нейрон?
Оказывается, разные синапсы вырабатывают разные медиаторы. Поэтому, импульс, который выдается нейроном, действует с разбором. Одни нейроны он возбуждает, а другие оставляет равнодушными. Каждый синапс как бы выбирает адресата, чувствительного к его импульсам. Таким образом, осуществляется адресация информации в те системы, где она должна быть использована. Это — во-первых.
А во-вторых, возможно, что медиаторы изменяют химический состав межсинаптической щели. Некоторые исследователи считают, что именно это изменение химизма синаптических областей лежит в основе образования межнейронных связей.
Мы пока рассматривали нейрон вообще. Но нейроны отнюдь не тождественны. Различные нейроны работают по-разному.
Прежде всего это зависит от того, в какой части нервной системы они находятся. С этой точки зрения все нейроны можно подразделить на три группы:
1. Эффекторные нейроны, которые посылают управляющие команды к внутренним органам и мышцам. Принцип их действия тот же, но генерируемые ими на выходе импульсы вызывают сокращение мышц или работу желез. Эти нейроны, по-видимому, объединены в группы определенными врожденными связями, которые обеспечивают выполнение программ действия в ответ на определенные пусковые сигналы (нервные и гуморальные).
2. Рецепторные нейроны. Это нейроны, которые собирают и передают информацию о внешних воздействиях и состояниях организма. Они как бы переводят данные о свойствах раздражителей на язык стандартных сигналов (электрических импульсов), единственно понятный нервной системе. Среди этих нейронов одни реагируют только на включение раздражителя «оп»-ней-роны) или только на его выключение («оП"»-нейроны). Недавно обнаружены также нейроны, которые реагируют лишь на новизну раздражителя («нейроны внимания»). Среди перечисленных нейронов, в свою очередь, имеются специализированные и мультисенсорные. Первые отвечают лишь на один определенный раздражитель, например, только на свет, или только на звук. Вторые реагируют на любые (или, во всяком случае, разные) типы раздражителей (и световые, и звуковые, и обонятельные, и болевые и т.д.).
3. Ассоциативные нейроны. С их помощью образуются нервные связи. Ассоциативные нейроны — это и есть, так сказать, гвоздь программы. Это те самые нейроны, которые связывают между собой внешнее раздражение и ответ на него организма. Исследования показали, что ассоциативные нейроны бывают разных типов. Первый тип — это, так называемые, возбуждающие нейроны. Второй — так называемые, тормозные нейроны. Тормозные нейроны, возбуждаясь, подают команду торможения других нейронов. И, наконец, так называемые, дифференцирующие нейроны. Эти нейроны работают так: если он возбужден, то он тормозит другие нейроны; если он заторможен, то он возбуждает другие нейроны. Из логики известно и можно доказать, что трех таких элементов достаточно, чтобы описать любые логические связи, т.е. описанных типов взаимодействия нейронов достаточно, чтобы построить любую логическую модель действительности.
Еще одна особенность нейронов — для того, чтобы нейрон сработал, обычно не достаточно только одного импульса на входе. Нужно, обычно, чтобы одновременно совпали или последовали друг за другом импульсы от разных аксонов на несколько его входов. Иначе говоря, нейрон работает не просто как передатчик импульсов, но и как интегрирующее или дифференцирующее устройство.
Наконец, важнейшая черта — аксон работает по так называемому принципу «все или ничего». Суть его в следующем. Вплоть до некоторго порогового уровня силы раздражителя, например, при деполяризации до 60 милливольт, аксон вообще не реагирует. Как только деполяризация перевалит эту величину, аксон сразу срабатывает и выдает ответный импульс. Причем, величина ответного импульса всегда будет одинаковой. Сила раздражителя определяет лишь, сколько таких ответных импульсов выдает нейрон. Таким образом, нейрон работает, скорее всего, как пулемет. Пока сила нажима недостаточна для того, чтобы спустить курок, выстрела не будет. Как только достаточна — следует выстрел. Причем, выстрел будет совершенно одинаковый, а сами выстрелы будут следовать один за другим, пока вы жмете курок. В зарубежной литературе по физиологии иногда так и называют выдачу нейроном импульса — нейрон «выстреливает импульсом». А сам этот механизм «все или ничего» называют триггерным механизмом (триггер — в переводе означает «спусковой крючок»).
Разумеется, приведенная аналогия является упрощенной. В отличие от пулемета, число «выстрелов», которые совершает нейрон, зависит не только от времени действия раздражителя, но и от его силы. Причем, разные нейроны реагируют на тот же радражитель по-разному, так как они имеют разные пороги. К тому же эти пороги не являются постоянными. В отличие от исправного пулемета, нейрон может срабатывать и без видимых внешних причин. Такие внезапные самовозбуждения нейронов, вызванные какими-то внутренними причинами, называют спонтанными возбуждениями. Наконец, тоже в отличие от пулемета, возбуждение нейрона не прекращается сразу с прекращением действия раздражителя. Такую затухающую «стрельбу», после того как «тревога» уже закончилась, называют остаточным возбуждением (или торможением).
У разных нейронов период остаточного возбуждения (торможения) различен. У рецепторных нейронов он обычно измеряется долями секунды. Но у некоторых ассоциативных нейронов он может длиться до десяти и более минут. Кроме того, длительность остаточного возбуждения (торможения) зависит еще и от силы раздражителя, его длительности, числа и характера поступивших импульсов и других факторов.
Средствами математической логики можно показать, что описанные механизмы интеграции и дифференцировки сигналов в сочетании с разнообразными формами задержек (т.е. остаточных возбуждений и торможений) достаточны для анализа и синтеза сигналов, их статистической фильтрации и перекодирования в высшие алфавиты.
Иначе говоря, уже известные нам физиологические механизмы по переработке сигналов нейронами в общем обеспечивают те основные структуры переработки информации, которые, как мы видели, лежат в основе психической деятельности.
При этом некоторые взаимодействующие системы нейронов объединены врожденными связями. Такие системы образуют как бы готовые блоки, отбирающие раздражители с заданными свойствами и перерабатывающие информацию о них по заранее заданной врожденной программе. Другие блоки вместе с их программами селекции и переработки информации формируются в течение жизни индивида на основе обучения.
В последнее время появились данные о том, что мозг располагает еще особыми механизмами селекции и переработки информации, которые принципиально отличаются от научения. В основе этих механизмов лежат спонтанные самовозбуждения нейронных групп, на основе которых в мозгу замыкаются и образуются новые связи, модели и программы, не встречавшиеся в опыте организма. Эти модели и программы затем реализуются в поведении, и практика отбирает те из них, которые правильно отражают объективную реальность.
Таким образом, по новейшим данным мозг обладает в своей деятельности значительно большей свободой, чем предполагали до сих пор физиологи и психологи. Он не только перерабатывает поступающую, но и генерирует новую информацию по каким-то своим, неизвестным еще нам, законам. В этом свете требует определенной поправки все, что мы говорили о законах образования временных нервных связей. Образование их через подкрепления на основе связей, обнаруживаемых в опыте, по-видимому, не единственный возможный путь. Вероятно, что мозг пробует и сам «на свой страх и риск» образовывать новые связи, а затем уже проверяет их в опыте. Таким образом, механизм проб и ошибок работает не только на уровне поведения, но и на уровне собственной деятельности мозга.
В свете сказанного становятся понятнее творческие возможности мозга, механизмы возникновения нереальных фантастических образов, неожиданных идей и вообще творчества.
Всеми этими своими свойствами центральная нервная система существенно отличается от современных машин, даже самых сложных. Она обладает значительной степенью внутренней самодеятельной активности за счет спонтанной работы самовозбуждающихся колебательных контуров. В нее встроены множество собственных самодействующих программ сбора и переработки информации (врожденных и приобретенных). Она сама строит свои программы и гибко изменяет их в соответствии с изменяющимися условиями существования, сама вырабатывая при этом критерии их оценки и контроля. Наконец, в результатах работы существенную роль играет элемент случайности. Они (эти результаты) определяются не только свойствами раздражителей, действующих на входы, но и случайным сочетанием собственных самовозбуждений системы в момент действия этих раздражителей.
В итоге результирующая активность организма даже в строго одинаковых условиях оказывается различной, т.е. «вход» не определяет однозначно «выхода». Эту особенность работы управляющих систем живых организмов иногда формулируют в сильном виде, так называемым, Гарвардским законом, который гласит: «В полностью контролируемых условиях животное ведет себя так, как того дьявол захочет!»
Таким образом, в целом нейронная масса выступает, как чрезвычайно гибкая система взаимодействующих и взаимосвязанных генераторов, приемников, анализаторов и накопителей сигналов. В сочетаниях изменяющихся состояний своих элементов она отображает, моделирует значимые сочетания и свойства окружающей реальности и ответные реакции организма.
Поскольку такими состояниями являются возбуждение или торможение, можно предполагать, что окружающий мир и действия организма отображаются в мозгу сложнейшими подвижными мозаиками возбуждений и торможений огромных нейронных масс. Законы этой динамики открыл И.П. Павлов.
Он показал, что они могут быть сведены к трем основным процессам: иррадиации, концентрации и индукции. Под иррадиацией понимается распространение, «растекание» возбуждения или торможения от участков, на которых они возникли, по нейронным массам, которые связаны с этими участками. Под индукцией понимается торможение определенных нейронных групп, вызываемое возбуждением в связанных с ними нейронных системах и, наоборот, возбуждение одних участков, вызываемое торможением других. Наконец, под концентрацией понимается стягивание возбуждения или торможения к определенным ограниченным нейронным системам, вызванное взаимодействием процессов иррадиации и индукции. Поскольку любая генерация, передача и переработка сигналов мозгом выражается в возбуждении или торможении различных нейронных групп, моделирующая и регуляторная работа мозга может быть интегрально описана в терминах распространения, концентрации и взаимодействия в нем возбуждений и торможений. Отсюда и вытекает универсальность понятий, предложенных Павловым.
Сегодня техника электроэнцефалографии позволяет уже непосредственно наблюдать электрические явления в мозгу, сопровождающие возбуждения и торможения нейронных систем. На экранах приборов, названных «телевизорами мозга», его деятельность видна, как сложнейшая мозаика вспыхивающих и перебегающих световых пятен, которые растекаются, сжимаются, чередуются, сливаются, распадаются на отдельные огоньки, бегут волнами по поверхности больших полушарий.
На фоне внешне хаотической активности выделяются мощные ритмические изменения электрических потенциалов, волнами распространяющиеся по всей коре. Самые мощные из них с периодом 8—13 циклов в секунду получили название альфа-ритма (а). Альфа-ритмы появляются в деятельности мозга, когда он находится в спокойном состоянии, у человека с закрытыми глазами. Стоит человеку начать о чем-нибудь напряженно размышлять или просто открыть глаза на свету, как альфа-ритмы мозговой активности исчезают. Все это наводит на мысль о связи альфа-ритма с поисками мозгом информации о внешнем мире. Потенциалы альфа-ритма как бы прожектором обшаривают мозг, возбуждая участок за участком и опрашивая все новые группы нейронов: «Как там у вас дела? Не поступило ли извне информации, требующей внимания или обработки?»
Между прочим, частота альфа-ритма приближается к частоте колебаний электромагнитного поля земли и точно совпадает с частотой дрожи пальцев при волнении, усталости или алкоголизме.
При спокойном сне альфа-ритм сменяется еще более медленным дельта-ритмом (Д) с периодом 0,5—3,5 цикла в секунду.
При напряженной мыслительной деятельности или внимании альфа-ритм, наоборот, сменяется стремительными мелкими и неровными волнами бета-ритма (Э) с частотой 30—40 циклов в секунду. Ритм этот неизменно появляется в ответ на неожиданные раздражения. Он представляет собой, по-видимому, суммарный электрический шум миллионов нейронов, участвующих в работе по отысканию, передаче и переработке поступающей информации.
При сильных эмоциональных переживаниях, особенно неприятных, в височных долях возникает тета-ритм (0) с частотой 4—7 цикла в секунду. Исследования последних лет установили его тесную связь с работой таламуса. Регулирование движений мозжечком сопровождается волнами частотой 200—400 герц.
Наконец, физиолог Грей Уолтер наблюдал особую мощную Е-волну, которая появлялась в лобных долях при намерении человека совершить какое-нибудь действие или принять решение. Эта волна прекращалась, как только намерение осуществлялось или решение принималось.
Таким образом, изучение электрической деятельности мозга позволило отчетливо выявить активность, связанную с управлением органическими функциями (дельта-ритм), поиском информации (альфа-ритм), переработкой информации (бета-ритм), эмоциональным отношением к ней (тета-ритм), регулированием движений, наконец, волевым действием и принятием решения (Е-волна).
Это подтверждается также тем, что вызывая в мозгу искусственно те или иные ритмы (например, вспышками соответствующей частоты), можно вызвать у человека соответствующие психические состояния.
Это подтверждается также тем, что вызывая в мозгу искусственно те или иные ритмы (например, вспышками соответствующей частоты), можно вызвать у человека соответствующие психические состояния.
Например, наблюдение вспышек с частотой альфа-ритма (т.н. фликкер) вызывает у многих людей зрительные галлюцинации, а у некоторых — эпилептические припадки. Фликкер с частотой тета-ритма вызывает беспричинное чувство раздражения, беспокойства и т.п.
Было бы, однако, поспешным заключить отсюда, что на экране «телевизора мозга» мы сегодня-завтра увидим и расшифруем саму психическую деятельность человека — его мысли, чувства и желания.
Наблюдаемые на экране перемещения возбужденных участков отображают лишь внешнюю сторону работы основного механизма мозга — генерации, передачи, переработки и накопления информации о значимых свойствах мира и адекватных им реакций организма. Саму эту работу увидеть нельзя, потому что информация невидима. Она — не вещь и не энергия, а сведения, знания. Как бы ни совершенствовались приборы, «подсматривающие за мозгом», они всегда будут регистрировать лишь движения сигналов в мозгу. Содержание этих сигналов, информацию, которую они несут, можно «увидеть» лишь мысленным взором. Их можно обнаружить лишь изучением и анализом всей совокупности отношений организма и субъекта с внешним миром. Это есть и всегда будет предметом психологии.
|
| |
| |
