Дивовижний мозок
Що дивного в мозочку? Одяг мозку що дав нам можливість насолоджуватися красою та пишністю музики, неймовірною точністю та грацією танцювальних рухів.
Зміст1. Симулятор нервової системи. Частина 1. Простий суматор 2. Симулятор нервової системи. Частина 2. Модульований нейроелемент 3. Симулятор нервової системи. Частина 3. Асоціативний нейроелемент 4. Пам'ять, консолідація пам'яті та бабусині нейрони 5. Моделювання емоцій чи електронне почуття новизни 6.Дивний мозок7. Структура та стартові налаштування мозку
Мозок і нервова система загалом працює з однаковими дискретними сигналами, короткими імпульсами, амплітуда яких є однаковою і спосіб управління різними органіками це зміна кількості імпульсів за одиницю часу, тобто. частого сигналу. Також і ступінь на рецептор визначається саме зміною частоти імпульсів. Наша рухова система має потенціал до дуже точних дій, до плавних рухів або точним переміщенням наших кінцівок. Що б цього досягти м'язи, для яких потрібна висока гнучкість в управлінні, були поділені на рухові одиниці. Двигуна це моторний нейрон і пов'язані з ним м'язові волокна. І чим більше активність залучено рухових одиниць, тим більше зусилля виникає внаслідок скорочення м'яза. Так само м'язові волокна різних рухових одиниць переплетені з метою розподілу навантаження та поля дії. Таким чином, існує можливість управління м'язами не тільки за рахунок частоти активацій рухових одиниць, але їх загальною кількістю залучених до активності.
Уявімо простий рефлекс, для якого активація його заголовка призводить до повногоскорочення м'яза. У такому рефлексі всі рухові одиниці будуть активовані практично одночасно. Але в процесі життєдіяльності може виникати потреба, наприклад, плавно скорочувати, або планово розслаблювати м'яз, або потрібно лише плавне розслаблення м'яза, але потім швидке скорочення.
У змодельованому прикладі кілька рефлексів, що призводять до різного характеру активації гіпотетичного м'яза, з урахуванням того, що кожен індикатор дії – це рухова одиниця одного м'яза. У прикладі існує основний рефлекс, активація якого призводить до одночасного запасу всіх рухових одиниць. На основі цього рефлексу як би надбудовою створені рефлекси, що забезпечують послідовне включення або вимкнення рухових одиниць, що додає певний фактор часу. У процесі розвитку тварина навчається керувати своїм тілом, причому навчання відбувається у формі створення асоціацій, зв'язування деяких подій, а й співвідношення цих подій у часі, причому досить точно. Звісно, поширення порушення по рефлекторної дузі дає чинник часу, але механізми освіти рефлексів неможливо зробити цей чинник досить точним. У нервовій системі повинен бути механізм, що дозволяє запам'ятовувати часові інтервали між діями, причому досить гнучкий для можливості перенавчання.
При розробці теорії роботи мозку та вивченні нервової системи мене дуже здивував мозок, його особливості сильно відрізняють від інших структур мозку. По-перше, це співвідношення розмірів мозочка і запропонованого йому функціоналу. Мозок займає приблизно 14% від усього мозку (для тварин співвідношення буде у більшу сторону) і, як відомо, служить для координації нашого тіла, а також виконує деякі вегетативніфункції. При цьому поразка мозочка викликає порушення координації у формі складності збереження рівноваги, точності рухів, нерівного почерку, повільної мови і т.д. Для успішності тварини ці функції дуже важливі, але розміри мозочка більше, наприклад, ніж область Вернике і Брока разом, хоча ці області відповідальні за людську мову, тобто виконують складніший функціонал при менших розмірах. По-друге, у мозочку присутні незвичайної форми нейрони – клітини Пуркіньє. Дендрити цих клітин сильно розгалужуються з одного боку від ядра клітини, причому розгалужуються в одній площині. Така форма клітини має бути чимось обумовлена, зазвичай дендрити нейронів ростуть без суворої орієнтації у площинах.
По-третє, структура кори мозочка істотно відрізняється від структури кори неокортексу. У корі мозочка виділяють всього три шари: молекулярний, шар клітин Пуркіньє і зернистий шар. Якщо в процесі еволюції неокортекс збільшував кількість своїх верств, то в мозочка такого не відбувалося. Зазвичай еволюція не зачіпає те, що добре працює і достатньо виконує свій функціонал. Враховуючи, що мозок еволюційно з'являється досить рано, можна сказати, що структура його кори чудово вигострена еволюцією під його функції.
Однією з особливостей структури кори мозочка є наявність паралельних волокон – це аксони клітин-зерен (гранулярних клітин), які поширюються паралельно один до одного і перпендикулярно до площини росту дендритів клітин Пуркіньє. Можливо, форма клітин Пуркіньє обумовлена тим, що вона збільшує ймовірність контакту паралельного волокна і дендриту клітини Пуркіньє при їх зростанні та розвитку кори. Клітка Пуркіньє це «клітка-пастка» для паралельних волокон, що ростуть.
Відомо щопотенціал дії має форму короткого імпульсу і поширюється нервовою тканиною з обмеженою швидкістю, приміряно 1м/с. Це наштовхує на ідею того, що комплекс паралельних волокон і клітин Пуркіньє це свого роду таймер, який запускається активацією гранулярної клітини, а часові інтервали відраховуються послідовною активацією клітин Пуркіньє потенціалом дії по паралельним волокнам, що поширюється.
На основі цього припущення була розроблена модель, яка є сильним спрощенням структури мозочка. Зазвичай клітини Пуркіньє гальмують вплив в ядрах мозочка, в самій корі присутні безліч клітин, що гальмують, а так само існують ліаноподібні волокна, але всі ми не буде враховувати з метою спрощення. Метою моделі є сформувати розуміння принципів роботи мозочка.
Уявімо простий рефлекс, на єдиний подразник відбуватиметься дія. І нам потрібно навчити нейронну мережу так, щоб на даний подразник був не поодинока відповідь, а серія відповідей з певним ритмом. Звичайним асоціативним методом цього досягти практично неможливо. Необхідний якийсь інструмент, що відраховує час між подіями. Таким інструментом є таймінгова надбудова, це аналог біологічного мозочка.
В основі таймінгової надбудови лежить послідовно зв'язаний ланцюжок нейроелементів. Запускає цей ланцюжок сигнал проходить через схему колатерального гальмування, дана схема пропускає тільки одиничний сигнал, це необхідно, щоб не виникало взаємодії та конкуренції між елементами ланцюжка. Всі зміни, що призводять до навчання, відбуваються в синапсах пластичних нейронів, кожному пластичному нейрону відповідає свій елемент у схемі, що єаналогом комплексу клітин Пуркіньє та паралельних волокон. Коли активність пластичного нейрона збігається з нейроелементом-представником частини рефлекторної дуги, то відбувається збільшення сили та зміцнення синапсу, що їх зв'язує. У разі відсутності збігу відбуватиметься зниження сили. Швидкість цих змін залежить від міри нейропластичності пластичних нейронів. Спочатку сили синапсів пластичних нейроелементів недостатньо для активації представника, лише через кілька поспіль виконаних збігів дії синапсу буде достатньо активації. Ще через кілька повторень це становище зміцниться. Звичайно, швидкістю навчання ми можемо керувати, змінюючи міру пластичності у пластичних нейроелементах. Тепер якщо ми повторюватимемо рефлекс, активуючи подразник з необхідним ритмом, то через деякий час при одиничній активації подразника ми отримаємо відповідь у заученому ритмі.
У наведеному прикладі відбувається запам'ятовування ритму. Звичайно, ритм може бути заданий будь-хто. Схема прикладу складена на нейроелементах, які були описані в більш ранніх випусках. Можна зробити висновок, що функція мозочка це збереження в пам'яті коротких часових інтервалів у різних моторних діях. Як видно з прикладів роботи таймінгової надбудови, вона може працювати тільки з однією руховою одиницею, для кожної рухової одиниці потрібен свій комплекс. Маючи для кожної рухової одиниці свій ланцюжок клітин Пуркіньє, можливе навчання не лише «вибивати» ритми, а й характеру рухів (плавності, різкості) за рахунок координації кожної рухової одиниці у часі.
Відзначається збільшення обсягів мозочка у людей, діяльність яких пов'язана із завданнями, де потрібно зберігати в пам'яті точні часовіінтервали (таймінги) у моторних діях. Це насамперед музиканти, танцюристи та спортсмени. Можна звернути увагу, що для запису в пам'яті часових інтервалів потрібна значна кількість клітин, це зумовлює великі відносні розміри мозочка. Але обрана еволюцією схема спрямована, перш за все, на надійність та гнучкість. При створенні принципових моделей мозку немає необхідності враховувати всі обрані еволюцією схеми і можливий варіант використання нейроелемента працюючого подібно до цілого комплексу клітин Пуркіньє і паралельних волокон.