О понятийном аппарате и его коварстве.

 

В настоящее время можно выделить две концепции, два подхода и причем совершенно различные, определяющие взгляды на принципы работы ГМ и НС. Первая – классическая, вторая – цифровая.

Начнем с цифровой, как более поздней точки зрения. Эта концепция предполагает, что в головном мозге на нейронах происходит некая суммация нейронных импульсов и таким образом происходят какие-то (непонятно какие и непонятно где) вычислительные процессы в головном мозге. А далее по аналогии с вычислительными технологиями происходит какая-то «обработка информации» на каких-то мозговых структурах и получение известных в нейрофизиологии результатов вплоть до разумной деятельности.

Такая своеобразная «математическая интоксикация» в нейрофизиологии случилась «благодаря» успехам в развитии компьютерной техники. и двум смелым исследователям, которые еще в прошлом веке, на заре развития компьютерных технологий, выдвинули идею, что нейрон является сумматором импульсов, а головной мозг работает как некое вычислительное устройство.

Такая точка зрения до сих пор очень популярна в околонаучных, а отчасти и в научных кругах, причем до такой степени, что даже часть нейрофизиологов придерживается её. Сторонников этой идеи и в наше время ещё немало, а обилие предложенных вариантов так называемых математических «нейросетей», на которых реализованы различные программные функции трудно и подсчитать. И доходит все это до того, что некоторые исследователи, весьма солидные, объявляют уже не сам нейрон, а синапсы и нейромедиаторы главными элементами ГМ. Обосновывая свою точку зрения количеством этих элементов в ГМ.

Однако к реальному нейрону и головному мозгу все эти домыслы и математические нейросети не имеют никакого отношения. (Смотри «железное правило» биологии). И вообще математика и биология между собой стыкуются очень мало, так как в биологических системах наблюдаются в основном качественные переходы между структурами, и в таком случае места для применения правил количественных взаимодействий, то есть собственно математики и не остается. А простой подсчет количества нейронов, импульсов и порций медиаторов будет лишен всякого функционального смысла.

То есть в ГМ нет структур, на которых могли бы происходить каки либо вычисления. Есть лишь идеи в головах некоторых сторонников данной точки зрения. Различные же математические модели, построенная на ложных предпосылках (вычислительные нейросети), не позволит понять настоящие принципы работы биологических нейронных сетей и головного мозга в целом.

В основе работы биологических нейронных сетей и головного мозга, несмотря на наличие в их физиологии нейронных импульсов и процессов интеграции на нейроне этих же самых нейронных импульсов различного характера, лежат не цифровые технологии, и даже не принципы электроники, а лежат старые добрые законы биологии и физики, причем на уровне средней школы.

А собственно первый концептуальный подход в отношении принципов работы головного мозга, выдвинутый гораздо раньше цифрового, и который является «классическим» в медицине и биологии, также, почему то, оказался когнитивным тупиком в нейрофизиологии.

И звучит он так.

Анатомически нервная система и головной мозг есть совокупность нейронов, объединенных в проводящие пути, ядра и отделы мозга. В классической нейрофизиологии считается, что сигнал воспринимается рецепторами, обрабатывается в ядрах анализаторов и поступает на мотонейроны. А основной формой нервной деятельности являются рефлексы. Считается также, что взаимодействие возбудимых и тормозных процессов на нейроне является основой интегративной деятельности во всех отделах НС.

Почему же эти концептуальные подходы к работе ГМ не позволяют понять принципы его работы? Наверное потому, что использование привычных понятийных категорий, имеющихся в памяти исследователя, для объяснения непонятных явлений – наиболее типичная человеческая ошибка. А в общем, это даже и не ошибка, а просто закономерность нашего мыслительного познавательного процесса.

С точки же зрения автора наиболее вредоносное влияние на возможность осмысления процессов, протекающих в головном мозге, оказывает устоявшееся словосочетание «Обработка информации в нейронных сетях», «Обработка сигнала в ядрах анализаторов» особенно в том случае, если этот процесс искать на уровне взаимодействий отдельных нейронов.

Так как это просто-таки смысловая «яма – ловушка» для исследователя, как раз и пытающегося найти эти самые принципы. Видимо поэтому для многих пытливых умов задача найти принципы «обработки информации» в головном мозге остаётся невыполнимой. Очень трудно, ну то есть практически невозможно найти то, чего не существует в природе.

Небольшая заметка.

В вычислительных технологиях не структура, а программа определяет функцию. На неизменных технических вычислительных структурах за счет изменения прилагаемых к этим структурам программ реализуются различные функции. (Программа – это набор команд). Отсюда такое убогое представление о нейроне сторонников идеи протекания вычислительных процессов в головном мозге.

И хотя в цифровых технологиях программа определяет функцию, а в биологии структура определяет функцию это не значит, что в биологии структура не может определять программу.

И в биологических нейронных системах имеется большая часть именно таких структур, которые определяют и программируют двигательные функции головного мозга.

Термин «Нейронная сеть» автор использует в понятии «биоподобная», в отличие от псевдонейронных вычислительных сетей математиков и программистов.

 

Основные процессы в ГМ.

 

Известное на сегодня количество существующих видов нейронов очень велико. Если суммировать все классификации – по форме, отросткам, нейромедиаторам, местоположению, синапсам и прочее, то счет, вероятно, легко перейдет за тысячу.

А вот видов физиологических процессов на этих самых и причем разнообразных нейронах в ГМ протекает гораздо меньше. И это обстоятельство заметно облегчает понимание принципов работы ГМ. Рассмотрим эти процессы.

Процесс №1 по своему функциональному значению – морфогенез нейронных комплексов. Это образование устойчивой межнейронной связи между контактными и активированными нейронами. (Между не контактными и не активными нейронами в физиологических условиях ничего образоваться не может).

Что же происходит в ГМ при образовании устойчивой межнейронной связи? А происходит при этом формирование новой биологической нейронной структуры. Естественно, с новыми структурными особенностями, а значит и с новыми функциональными возможностями.

Причем такой процесс создания новых мозговых структур протекает как в сенсорных, так и в двигательных отделах мозга. С образованием, естественно, новых как сенсорных (рецепторных), так и двигательных структур ГМ.

О значении фактора образования новых межнейронных связей мы можем судить по следующему научному факту. У ребенка (который рождается слепым и глухим, с минимумом рефлексов и чувством обоняния и вкуса) в раннем неонатальном периоде (первые 28 дней жизни) в головном мозге протекает интенсивный процесс формирования новых нейронных синапсов. Скорость формирования таких нейронных структур при этом достигает 500 000 синапсов в секунду. А новые межнейронные связи, как известно, могут образоваться лишь в этом самом синапсе и путем биологической перестройки самого синапса.

Формирование в дальнейшем новых синапсов и новых межнейронных связей в ГМ у человека сохраняется всю оставшуюся жизнь. Только с меньшей интенсивностью.

Следует, конечно, оговориться, что образование синапса не равно образованию новой межнейронной связи. Конечно нет. Но без синапса новая межнейронная связь появиться не может в принципе. Так что синапс – это лишь потенциальная межнейронная связь. И для ее полноценного формирования нужны дополнительные факторы.

А в целом это обстоятельство показывает нам значение фактора образования новых межнейронных связей для процесса функционирования ГМ в частности и любой биологической нейронной сети (БНС) вообще.

Процесс №2. Активация нейрона или нейронного комплекса и проведение процесса деполяризации (разряда) по отросткам нейрона.

Процесс, разумеется, важный и в количественном выражении, вероятно, самый многочисленный в ГМ, но автор ставит его на второе место по функциональному значению. Почему?

Во-первых потому, что активация каких-либо нейронов в ГМ может вообще ничего не значить, так как для получения физиологического результата могут потребоваться дополнительные условия. А во-вторых, потому, что это процесс функционирования уже созданных новых мозговых структур. А процесс работы любой структуры, в данном случае нейронной, не может быть важнее процесса создания собственно этой самой структуры. То, что еще не создано, то не может и функционировать.

Но так уж исторически сложилось в процессе изучения ГМ и НС, что вторичные по функциональному значению процессы деполяризации нейронов были приняты за основные, а по-настоящему первичные в функциональном плане процессы формирования нейронных структур на основе создания устойчивых межнейронных связей ушли в «тень» нашего когнитивного процесса.

Вот два важнейших физиологических процесса, протекающих в любой БНС, включая ГМ и ЦНС. Это фундаментальные процессы, определяющие работу любой БНС.

Возможно ли образование устойчивой межнейронной связи между активированными неконтактными нейронами? То есть опосредованно через третий нейрон? События такого рода в ЦНС исключать нельзя, и вероятно они весьма многочисленны, так как нейрон может находиться в состоянии не только активации, но и субактивации. Без факта деполяризации в нейроне могут протекать все те же физиологические процессы, что и при деполяризации последнего, возможно лишь с меньшей скоростью.

В свете главенства в БНС процесса №1 становятся понятны и различные эволюционные преобразования, которые произошли с нашим главным органом.

Во-первых, в ходе эволюции постоянно создавались новые рецепторные и двигательные макроструктуры ГМ и, соответственно им при объединении последних, рецепторные и двигательные системы ГМ и ЦНС.

А во-вторых, в процессе эволюции природа «стремилась» создать наиболее благоприятные условия протекания процесса формирования межнейронных связей в тех случаях, при которых это имело функциональный смысл. И именно для создания более благоприятных условий протекания данного процесса эволюция сводила в единые локусы те нейроны, между которыми и следовало устанавливать эти самые межнейронные связи в первую очередь.

Именно такими процессами, например, можно объяснить появления в КГМ до 100 специализированных функциональных корковых зон.

Или появление, например, такого мозгового образования как мозжечок объясняется необходимостью в ходе эволюции обеспечить формирование связей между различными мышцами нашего тела для их совместной и слаженной работы.

ГМ содержит как сенсорные нейроны и отделы, так и двигательные нейроны и отделы. И процесс №1 протекает как в сенсорных, так и в двигательных участках ГМ. При этом последствия данного процесса с участием рецепторных и двигательных нейронов будут различны.

А именно. Процесс №1 в рецепторных отделах ЦНС и ГМ своими последствиями будет иметь появление новых рецепторных структур ГМ. А в двигательных отделах ГМ данный процесс приведет к появлению новых двигательных структур.

И конечно же формирование новых нейронных комплексов с участием рецепторных и двигательных нейронов приведет к появлению новых рецепторно – двигательных структур ГМ.

Что же это за структуры и для чего они нужны? И вообще, существуют ли они? На этот вопрос легче всего ответить рассматривая ГМ и ЦНС через призму эволюции любой БНС в целом.

 

О нейронных комплексах.

 

Процесс эволюции БНС и ГМ начался с создания простых двигательных нейронных микрокомплексов жесткого (неизменного) типа. Такой тип НК мог быть задан генетической программой развития ГМ. Дальнейший путь эволюции проходил как усложнение процессов восприятия сигналов и усложнение двигательных программ регуляции поведения.

Такая схема развития мозга могла осуществляться лишь путем эволюционной надстройки дополнительного нейронного «материала», из которого можно было бы строить более сложные нейронные (макро) комплексы, включающие в себя и эволюционно первичные нейронные образования.

Естественно, что эволюционно более молодые образования должны были создаваться не только на основе эволюционно более древних структур ГМ, но и также при участии воздействий сигналов внешней среды. Только в таком случае была возможность и сохранения эволюционных достижений и создания новых систем восприятия и управления.

Поэтому основной путь эволюции БНС и ГМ можно обозначить как путь от микрокомплексов к макрокомплексам с сохранением и расширением более древних эволюционных достижений и сохранением главной «схемы» работы ГМ – процессов восприятия и управления.

Почему НК до сих пор никем не выявлены как морфологические структуры ГМ? Ответ тут простой. Сложность. Те исследователи, которые первые найдут способ идентифицировать структуру НК и выделить их из миллионов других соседних нейронов в целом и живом ГМ обязательно будут отмечены всяческими научными благодарностями.

А косвенных признаков существования НК имеется великое множество. Необходимо только их увидеть и понять, что это такое.

И вот какие возможные варианты нейронных комплексов можно ожидать обнаружить в ГМ.

Эти виды НК должны быть обнаружены при адекватных исследованиях в ГМ. Это ориентировочная классификация.

По функциональной принадлежности, то есть по выполняемой главной функции – двигательные, рецепторные и смешанные – рецепторно-двигательные. Данная функция должна быть жестко связана с локализацией НК в биологической нейросети.

По сложности – малонейронные и многонейронные. То есть по количеству нейронов, образующих эти самые нейронные комплексы.

По типу нейронных связей – жесткие, то есть неизменные и модифицируемые – при возможности в НК к перестройке межнейронных связей. Это также и эволюционный показатель.

Особый тип нейронных комплексов необходимо выделить у человека – сенсорно-вербальные. Это те НК, которые лежат в основе феномена сознания. Об этих комплексах подробнее чуть ниже. Такой вербализованный НК есть «атом» сознания или «инфотом», или «когнитом», кому как нравиться.

Как проявится разница в двигательных реакциях у одного типа животных, имеющих рецепторные и двигательные комплексы различной сложности и степени зрелости?

Чем совершеннее НК у их носителя, тем более адекватную двигательную реакцию на поступающие сигналы будет выдавать данное животное. И обратный процесс – лишите животное вновь сформированных НК и данное животное перейдет к двигательным ответам большей примитивности и меньшей сложности.

И в основе процессов усложнения либо примитивизации рецепторно-двигательных реакций любого животного, включая человека лежит один и тот же физиологический процесс – морфогенез или деструкция НК.

 

О двигательных программах.

 

Посмотрим более внимательно на первые шаги эволюции НС и ГМ. Эволюция собственно головного мозга животных после разделения первичных недифференцированных нейронов кишечнополостных на двигательные и чувствительные по признакам функциональной направленности началась с создания нейронных двигательных комплексов на основе чувства обоняния.

То есть с создания двигательных микропрограмм на основе сигналов обонятельной модальности. Почему на основе обоняния – это понятно. Так, как только сигналы химической природы могли дать первым, относительно сложноорганизованным животным, наиболее исчерпывающую информацию о поступающих воздействиях окружающей среды – глотать, выплёвывать, приближаться, спариваться, убегать или ещё что-то. Для нас эти сигналы обонятельной модальности и сейчас много значат. А почему именно с двигательных, а не рецепторных комплексов? Время создания рецепторных нейронных комплексов (РцНК) придет позже – при формировании органов зрения и слуха. У хордовых – начиная с рыб. Что же такое двигательный нейронный комплекс, он же нейронная двигательная программа?

Нейронная двигательная программа – это функциональная двигательная единица НС и ГМ, образованная как отдельным двигательным нейроном, так и комплексом двигательных нейронов и выполняющих единую функцию – организацию двигательного ответа различной степени сложности.

Это двигательная единица (двигательная микропрограмма) НС, преобразующая сигналы – нейронные импульсы, поступающие с рецепторов в набор двигательных команд для исполнительных органов – мышц и желёз. Такая двигательная единица может быть как однонейронной (одноклеточной – мотонейрон), так и многонейронным (двигательный нейронный комплекс) – ДвНК. При одинаковой двигательной функции отличия между единичным мотонейроном и ДвНК в сложности организации вызываемого при их активации двигательного ответа.

Ярким примером, демонстрирующим работу ДвНК, является глотательный рефлекс. Он требует сложной последовательности движений, в которых совместно работают минимум 10 мышц языка и глотки, и с идеальным соответствием по времени, благодаря чему содержимое полости рта направляется в пищевод, не попадая в гортань и трахею.

Исследователи Доти и Босма изучали этот рефлекс, регистрируя электрическую активность многих мышц рта и глотки во время глотания. Так, им удалось изучить последовательность сокращений мышц во времени. Временные характеристики оказались исключительно постоянными при самых различных условиях – при анестезии и разнообразной стимуляции (электрическое раздражение язычного нерва, вливание воды в рот, почесывание спинки языка и т. д.). Даже когда некоторые мышцы были отсечены, обездвижены или лишены чувствительности с помощью того или иного из анестезирующих препаратов, остальные мышцы продолжали срабатывать в нормальном порядке. Единственное изменение было отмечено в условиях наркоза; в этом случае рефлекс было труднее вызвать, а во время реакции каждая мышца сокращалась слабее обычного. Длительность всего глотательного движения уменьшалась, но последовательность и относительное время включения мышц оставались такими же.

Таким образом, весь этот двигательный комплекс глотательных движений проявляется как отдельная функциональная программная единица, которой соответствует анатомическое образование из нейронов (двигательное ядро), выполняющее отдельную заданную и специфическую функцию.

На этом примере мы наблюдаем в ходе эволюции появление у различных животных так называемых безусловных рефлексов – врожденных программ поведения. Они смогли появиться благодаря образованию из отдельных двигательных нейронов (а как еще иначе?) этих самых двигательных нейронных комплексов.

Как это могло произойти? Только одним путем (в представлении автора) – «склеиванием» в ходе эволюции отдельных двигательных нейронов в фиксированные нейронные цепочки – двигательные нейронные комплексы – ДвНК.

А каким же образом смогли «склеиться» мотонейроны наших предков? Только одним путем – образование стойкой межнейронной связи за счет преобразования их синапсов в древней БНС. Причем со строго заданной скоростью проведения нейронного разряда. И если судить по стойкости межнейронных связей, то можно сделать вывод, что эти преобразования настолько стабильны, что мы практически не наблюдаем их разрушения в течение всей жизни животного или человека.

И как только эволюция выбрала именно такой путь образования сложных двигательных программ (то есть «склеивание» первичных мотонейронов в нейронные цепочки) никакой другой способ образования двигательных нейронных программ стал невозможен. (Вероятно, что до этого узлового момента в процессе эволюции никакой другой путь формирования мозга также был невозможен).

И каким образом возможна «оцифровка» приходящих в ГМ и НС воздействий? А никаким. Вместо «оцифровки» в нашем ГМ происходит другой фундаментальный процесс – «структуризация» изначально бесформенной нейронной сети на основе приходящих в наш мозг сигналов. Это процесс формирования новых межнейронных связей, то есть интеграция ранее разобщенных нейронов в нейронные комплексы, что порождает новую структуру нейронной сети. Именно после «структуризации», то есть после определенных структурных изменений в рецепторных и двигательных отделах БНС вообще, а в частности в нашем ГМ мы получаем способность видеть или слышать поступающие сигналы, а также и получаем возможность совершать новые сложные или простые наборы движений.

 

 

О восприятии сигналов.

Восприятие любых воздействий в целом, а также частей элементов этих воздействий окружающей или внутренней среды в животном мире всегда непосредственное и прямое, без всякой, естественно, математической обработки. Это касается как внутриклеточного (молекулярного) уровня рецепторов (рецепторы клетки – к адреналину, инсулину и пр.), также клеточного уровня рецепторов – рецепторы качества всех модальностей, так и надклеточного уровня восприятия сигналов. Для восприятия сигналов любого уровня природа создавала свою, адекватную этому уровню биологическую структуру.