Нервная ткань — основной структурный элемент нервной системы. В состав нервной ткани входят высокоспециализированные нервные клетки — нейроны , и клетки нейроглии , выполняющие опорную, секреторную и защитную функции.

Нейрон — это основная структурно-функциональная единица нервной ткани. Эти клетки способны принимать, обрабатывать, кодировать, передавать и хранить информацию, устанавливать контакты с другими клетками. Уникальными особенностями нейрона являются способность генерировать биоэлектрические разряды (импульсы) и передавать информацию по отросткам с одной клетки на другую с помощью специализированных окончаний — .

Выполнению функций нейрона способствует синтез в его аксоплазме веществ-передатчиков — нейромедиаторов: ацетилхолина, катехоламинов и др.

Число нейронов мозга приближается к 10 11 . На одном нейроне может быть до 10 000 синапсов. Если эти элементы считать ячейками хранения информации, то можно прийти к выводу, что нервная система может хранить 10 19 ед. информации, т.е. способна вместить практически все знания, накопленные человечеством. Поэтому вполне обоснованным является представление, что человеческий мозг в течение жизни запоминает все происходящее в организме и при его общении со средой. Однако мозг не может извлекать из всю информацию, которая в нем хранится.

Для различных структур мозга характерны определенные типы нейронной организации. Нейроны, регулирующие единую функцию, образуют так называемые группы, ансамбли, колонки, ядра.

Нейроны различаются по строению и функции.

По строению (в зависимости от количества отходящих от тела клетки отростков) различают униполярные (с одним отростком), биполярные (с двумя отростками) и мультиполярные (с множеством отростков) нейроны.

По функциональным свойствам выделяют афферентные (или центростремительные ) нейроны, несущие возбуждение от рецепторов в , эфферентные , двигательные , мотонейроны (или центробежные), передающие возбуждение из ЦНС к иннервируемому органу, и вставочные , контактные или промежуточные нейроны, соединяющие между собой афферентные и эфферентные нейроны.

Афферентные нейроны относятся к униполярным, их тела лежат в спинномозговых ганглиях. Отходящий от тела клетки отросток Т-образно делится на две ветви, одна из которых идет в ЦНС и выполняет функцию аксона, а другая подходит к рецепторам и представляет собой длинный дендрит.

Большинство эфферентных и вставочных нейронов относятся к мультиполярным (рис. 1). Мультиполярные вставочные нейроны в большом количестве располагаются в задних рогах спинного мозга, а также находятся и во всех других отделах ЦНС. Они могут быть и биполярными, например нейроны сетчатки, имеющие короткий ветвящийся дендрит и длинный аксон. Мотонейроны располагаются в основном в передних рогах спинного мозга.

Рис. 1. Строение нервной клетки:

1 — микротрубочки; 2 — длинный отросток нервной клетки (аксон); 3 — эндоплазматический ретикулум; 4 — ядро; 5 — нейроплазма; 6 — дендриты; 7 — митохондрии; 8 — ядрышко; 9 — миелиновая оболочка; 10 — перехват Ранвье; 11 — окончание аксона

Нейроглия

Нейроглия , или глия , — совокупность клеточных элементов нервной ткани, образованная специализированными клетками различной формы.

Она обнаружена Р. Вирховым и названа им нейроглией, что обозначает «нервный клей». Клетки нейроглии заполняют пространство между нейронами, составляя 40% от объема мозга. Глиальные клетки по размеру в 3-4 раза меньше нервных клеток; число их в ЦНС млекопитающих достигает 140 млрд. С возрастом у человека в мозге число нейронов уменьшается, а число глиальных клеток увеличивается.

Установлено, что нейроглия имеет отношение к обмену веществ в нервной ткани. Некоторые клетки нейроглии выделяют вещества, влияющие на состояние возбудимости нейронов. Отмечено, что при различных психических состояниях изменяется секреция этих клеток. С функциональным состоянием нейроглии связывают длительные следовые процессы в ЦНС.

Виды глиальных клеток

По характеру строения глиальных клеток и их расположению в ЦНС выделяют:

• астроциты (астроглия);
• олигодендроциты (олигодендроглия);
• микроглиальные клетки (микроглия);
• шванновские клетки.

Глиальные клетки выполняют опорную и защитную функции для нейронов. Они входят в структуру . Астроциты являются самыми многочисленными глиальными клетками, заполняющими пространства между нейронами и покрывающими . Они предотвращают распространение в ЦНС нейромедиаторов, диффундирующих из синаптической щели. В астроцитов имеются рецепторы к нейромедиаторам, активация которых может вызывать колебания мембранной разности потенциалов и изменения метаболизма астроцитов.

Астроциты плотно окружают капилляры кровеносных сосудов мозга, располагаясь между ними и нейронами. На этом основании предполагают, что астроциты играют важную роль в метаболизме нейронов, регулируя проницаемость капилляров для определенных веществ .

Одной из важных функций астроцитов является их способность поглотать избыток ионов К+, которые могут накапливаться в межклеточном пространстве при высокой нейронной активности. В областях плотного прилегания астроцитов формируются каналы щелевых контактов, через которые астроциты могут обмениваться различными ионами небольшого размера и, в частности, ионами К+ Это увеличивает возможности поглощения ими ионов К+ Неконтролируемое накопление ионов К+ в межнейронном пространстве приводило бы к повышению возбудимости нейронов. Тем самым астроциты, поглощая избыток ионов К+ из интерстициальной жидкости, предотвращают повышение возбудимости нейронов и формирование очагов повышенной нейронной активности. Появление таких очагов в мозге человека может сопровождаться тем, что их нейроны генерируют серии нервных импульсов, которые называют судорожными разрядами.

Астроциты принимают участие в удалении и разрушении нейромедиаторов, поступающих во внесинаптические пространства. Тем самым они предотвращают накопление в межнейрональных пространствах нейромедиаторов, которое могло бы привести к нарушению функций мозга.

Нейроны и астроциты разделены межклеточными щелями 15-20 мкм, называемыми интерстициальным пространством. Интерстициальные пространства занимают до 12-14% объема мозга. Важным свойством астроцитов является их способность поглощать из внеклеточной жидкости этих пространств СО2, и тем самым поддерживать стабильной рН мозга .

Астроциты участвуют в формировании поверхностей раздела между нервной тканью и сосудами мозга, нервной тканью и оболочками мозга в процессе роста и развития нервной ткани.

Олигодендроциты характеризуются наличием небольшого числа коротких отростков. Одной из их основных функций является формирование миелиновой оболочки нервных волокон в пределах ЦНС . Эти клетки располагаются также в непосредственной близости от тел нейронов, но функциональное значение этого факта неизвестно.

Клетки микроглии составляют 5-20% от общего количества глиальных клеток и рассеяны по всей ЦНС. Установлено, что антигены их поверхности идентичны антигенам моноцитов крови. Это свидетельствует об их происхождении из мезодермы, проникновении в нервную ткань во время эмбрионального развития и последующей трансформации в морфологически распознаваемые клетки микроглии. В связи с этим принято считать, что важнейшей функцией микроглии является защита мозга. Показано, что при повреждении нервной ткани в ней возрастает число фагоцитирующих клеток за счет макрофагов крови и активации фагоцитарных свойств микроглии. Они удаляют погибшие нейроны, глиальные клетки и их структрурные элементы, фагоцитируют инородные частицы.

Шванновские клетки формируют миелиновую оболочку периферических нервных волокон за пределами ЦНС. Мембрана этой клетки многократно обертывается вокруг , и толщина образующейся миелиновой оболочки может превысить диаметр нервного волокна. Длина миелинизированных участков нервного волокна составляет 1-3 мм. В промежутках между ними (перехваты Ранвье) нервное волокно остается покрытым только поверхностной мембраной, обладающей возбудимостью.

Одним из важнейших свойств миелина является его высокое сопротивление электрическому току. Оно обусловлено высоким содержанием в миелине сфингомиелина и других фосфолипидов, придающих ему токоизолирующие свойства. На участках нервного волокна, покрытых миелином, процесс генерации нервных импульсов невозможен. Нервные импульсы генерируются только на мембране перехватов Ранвье, что обеспечивает более высокую скорость проведения нервных импульсов но миелинизированным нервным волокнам в сравнении с немиелинизированными.

Известно, что структура миелина может легко нарушаться при инфекционных, ишемических, травматических, токсических повреждениях нервной системы. При этом развивается процесс демиелинизации нервных волокон. Особенно часто демиелинизация развивается при заболевании рассеянным склерозом. В результате демиелинизации скорость проведения нервных импульсов по нервным волокнам уменьшается, скорость доставки в мозг информации от рецепторов и от нейронов к исполнительным органам падает. Это может вести к нарушениям сенсорной чувствительности, нарушениям движений, регуляции работы внутренних органов и другим тяжелым последствиям.

Структура и функции нейронов

Нейрон (нервная клетка) является структурной и функциональной единицей .

Анатомическая структура и свойства нейрона обеспечивают выполнение его основных функций : осуществление метаболизма, получение энергии, восприятие различных сигналов и их обработка, формирование или участие в ответных реакциях, генерация и проведение нервных импульсов, объединение нейронов в нейронные цепи, обеспечивающие как простейшие рефлекторные реакции, так и высшие интегративные функции мозга.

Нейроны состоят из тела нервной клетки и отростков — аксона и дендритов.

Рис. 2. Строение нейрона

Тело нервной клетки

Тело (перикарион, сома) нейрона и его отростки на всем протяжении покрыты нейрональной мембраной. Мембрана тела клетки отличается от мембраны аксона и дендритов содержанием различных , рецепторов, наличием на ней .

В теле нейрона расположена нейроплазма и отграниченные от нее мембранами ядро, шероховатый и гладкий эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии. В хромосомах ядра нейронов содержится набор генов, кодирующих синтез белков, необходимых для формирования структуры и осуществления функций тела нейрона, его отростков и синапсов. Это белки, выполняющие функции ферментов, переносчиков, ионных каналов, рецепторов и др. Некоторые белки выполняют функции, находясь в нейроплазме, другие — встраиваясь в мембраны органелл, сомы и отростков нейрона. Часть из них, например ферменты, необходимые для синтеза нейромедиаторов, путем аксонального транспорта доставляются в аксонную терминаль. В теле клетки синтезируются пептиды, необходимые для жизнедеятельности аксонов и дендритов (например, ростовые факторы). Поэтому при повреждении тела нейрона его отростки дегенерируют, разрушаются. Если же тело нейрона сохранено, а поврежден отросток, то происходит его медленное восстановление (регенерация) и восстановление иннервации денервированных мышц или органов.

Местом синтеза белков в телах нейронов является шероховатый эндоплазматический ретикулум (тигроидные гранулы или тела Ниссля) или свободные рибосомы. Содержание их в нейронах выше, чем в глиальных или других клетках организма. В гладком эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи белки приобретают свойственную им пространственную конформацию, сортируются и направляются в транспортные потоки к структурам тела клетки, дендритов или аксона.

В многочисленных митохондриях нейронов в результате процессов окислительного фосфорилирования образуется АТФ, энергия которой используется для поддержания жизнедеятельности нейрона, работы ионных насосов и поддержания асимметрии ионных концентраций но обе стороны мембраны. Следовательно, нейрон находится в постоянной готовности не только к восприятию различных сигналов, но и к ответной реакции на них — генерации нервных импульсов и их использованию для управления функциями других клеток.

В механизмах восприятия нейронами различных сигналов принимают участие молекулярные рецепторы мембраны тела клетки, сенсорные рецепторы, образованные дендритами, чувствительные клетки эпителиального происхождения. Сигналы от других нервных клеток могут поступать к нейрону через многочисленные синапсы, образованные на дендритах или на геле нейрона.

Дендриты нервной клетки

Дендриты нейрона формируют дендритное дерево, характер ветвления и размер которого зависят от числа синаптических контактов с другими нейронами (рис. 3). На дендритах нейрона имеются тысячи синапсов, образованных аксонами или дендритами других нейронов.

Рис. 3. Синаптические контакты интернейрона. Стрелками слева показано поступление афферентных сигналов к дендритам и телу интернейрона, справа — направление распространения эфферентных сигналов интернейрона к другим нейронам

Синапсы могут быть гетерогенными как по функции (тормозные, возбуждающие), так и по типу используемого нейромедиатора. Мембрана дендритов, участвующая в образовании синапсов, является их постсинаптической мембраной, в которой содержатся рецепторы (лигандзависимые ионные каналы) к нейромедиатору, используемому в данном синапсе.

Возбуждающие (глутаматергические) синапсы располагаются преимущественно на поверхности дендритов, где имеются возвышения, или выросты (1-2 мкм), получившие название шипиков. В мембране шипиков имеются каналы, проницаемость которых зависит от трансмембранной разности потенциалов. В цитоплазме дендритов в области шипиков обнаружены вторичные посредники внутриклеточной передачи сигналов, а также рибосомы, на которых синтезируется белок в ответ на поступление синаптических сигналов. Точная роль шипиков остается неизвестной, но очевидно, что они увеличивают площадь поверхности дендритного дерева для образования синапсов. Шипики являются также структурами нейрона для получения входных сигналов и их обработки. Дендриты и шипики обеспечивают передачу информации от периферии к телу нейрона. Мембрана дендритов в покос поляризована благодаря асимметричному распределению минеральных ионов, работе ионных насосов и наличию в ней ионных каналов. Эти свойства лежат в основе передачи по мембране информации в виде локальных круговых токов (электротонически), которые возникают между постсинаптическими мембранами и граничащими с ними участками мембраны дендрита.

Локальные токи при их распространении по мембране дендрита затухают, но оказываются достаточными по величине для передачи на мембрану тела нейрона сигналов, поступивших через синаптические входы к дендритам. В мембране дендритов пока не выявлено потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов. Она не обладает возбудимостью и способностью генерировать потенциалы действия. Однако известно, что по ней может распространяться потенциал действия, возникающий на мембране аксонного холмика. Механизм этого явления неизвестен.

Предполагается, что дендриты и шипики являются частью нейронных структур, участвующих в механизмах памяти. Количество шипиков особенно велико в дендритах нейронов коры мозжечка, базальных ганглиев, коры мозга. Площадь дендритного дерева и число синапсов уменьшаются в некоторых полях коры мозга пожилых людей.

Аксон нейрона

Аксон - отросток нервной клетки, не встречающийся в других клетках. В отличие от дендритов, число которых у нейрона различно, аксон у всех нейронов один. Его длина может достигать до 1,5 м. В месте выхода аксона из тела нейрона имеется утолщение — аксонный холмик, покрытый плазматической мембраной, которая вскоре покрывается миелином. Участок аксонного холмика, непокрытый миелином, называют начальным сегментом. Аксоны нейронов вплоть до своих конечных разветвлений покрыты миелиновой оболочкой, прерываемой перехватами Ранвье — микроскопическими безмиелиновыми участками (около 1 мкм).

На всем протяжении аксон (миелинизированного и немиелинизированного волокна) покрыт бислойной фосфолипидной мембраной со встроенными в нее белковыми молекулами, которые выполняют функции транспорта ионов, потенциалзависимых ионных каналов и др. Белки распределены равномерно в мембране немиелинизированного нервного волокна, а в мембране миелинизированного нервного волокна они располагаются преимущественно в области перехватов Ранвье. Поскольку в аксоплазме нет шероховатого ретикулума и рибосом, то очевидно, что эти белки синтезируются в теле нейрона и доставляются в мембрану аксона посредством аксонального транспорта.

Свойства мембраны, покрывающей тело и аксон нейрона , различны. Это различие касается прежде всего проницаемости мембраны для минеральных ионов и обусловлено содержанием различных типов . Если в мембране тела и дендритов нейрона превалирует содержание лигандзависимых ионных каналов (в том числе постсинаптических мембран), то в мембране аксона, особенно в области перехватов Ранвье, имеется высокая плотность потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов.

Наименьшей величиной поляризации (около 30 мВ) обладает мембрана начального сегмента аксона. В более удаленных от тела клетки участках аксона величина трансмембранного потенциала составляет около 70 мВ. Низкая величина поляризации мембраны начального сегмента аксона обусловливает то, что в этой области мембрана нейрона обладает наибольшей возбудимостью. Именно сюда и распространяются по мембране тела нейрона с помощью локальных круговых электрических токов постсинаптические потенциалы, возникшие на мембране дендритов и тела клетки в результате преобразования в синапсах информационных сигналов, поступивших к нейрону. Если эти токи вызовут деполяризацию мембраны аксонного холмика до критического уровня (Е к), то нейрон ответит на поступление к нему сигналов от других нервных клеток генерацией своего потенциала действия (нервного импульса). Возникший нервный импульс далее проводится по аксону к другим нервным, мышечным или железистым клеткам.

На мембране начального сегмента аксона имеются шипики, на которых образуются ГАМК-ергические тормозные синапсы. Поступление сигналов по этим от других нейронов может предотвращать генерацию нервного импульса.

Классификация и виды нейронов

Классификация нейронов проводится как по морфологическим, так и по функциональным признакам.

По количеству отростков различают мультиполярные, биполярные и псевдоуниполярные нейроны.

По характеру связей с другими клетками и выполняемой функции различают сенсорные, вставочные и двигательные нейроны. Сенсорные нейроны называют также афферентными нейронами, а их отростки — центростремительными. Нейроны, выполняющие функцию передачи сигналов между нервными клетками, называют вставочными , или ассоциативными. Нейроны, аксоны которых образуют синапсы на эффекторных клетках (мышечных, железистых), относят к двигательным, или эфферентным , их аксоны называют центробежными.

Афферентные (чувствительные) нейроны воспринимают информацию сенсорными рецепторами, преобразуют ее в нервные импульсы и проводят к головного и спинного мозга. Тела чувствительных нейронов находятся в спинальных и черепно-мозговых . Это псевдоуниполярные нейроны, аксон и дендрит которых отходят от тела нейрона вместе и затем разделяются. Дендрит следует на периферию к органам и тканям в составе чувствительных или смешанных нервов, а аксон в составе задних корешков входит в дорсальные рога спинного мозга или в составе черепных нервов — в головной мозг.

Вставочные , или ассоциативные, нейроны выполняют функции переработки поступающей информации и, в частности, обеспечивают замыкание рефлекторных дуг. Тела этих нейронов располагаются в сером веществе головного и спинного мозга.

Эфферентные нейроны также выполняют функцию переработки поступившей информации и передачи эфферентных нервных импульсов от головного и спинного мозга к клеткам исполнительных (эффекторных) органов.

Интегративная деятельность нейрона

Каждый нейрон получает огромное количество сигналов через многочисленные синапсы, расположенные на его дендритах и теле, а также через молекулярные рецепторы плазматических мембран, цитоплазмы и ядра. В передаче сигналов используется множество различных типов нейромедиаторов, нейромодуляторов и других сигнальных молекул. Очевидно, что для формирования ответной реакции на одновременное поступление множества сигналов, нейрон должен обладать способностью их интегрировать.

Совокупность процессов, обеспечивающих обработку поступающих сигналов и формирование на них ответной реакции нейрона, входит в понятие интегративной деятельности нейрона.

Восприятие и обработка сигналов, поступающих к нейрону, осуществляется при участии дендритов, тела клетки и аксонного холмика нейрона (рис. 4).

Рис. 4. Интеграция сигналов нейроном.

Одним из вариантов их обработки и интеграции (суммирования) является преобразование в синапсах и суммирование постсинаптических потенциалов на мембране тела и отростков нейрона. Воспринятые сигналы преобразуются в синапсах в колебание разности потенциалов постсинаптической мембраны (постсинаптические потенциалы). В зависимости от типа синапса полученный сигнал может быть преобразован в небольшое (0,5-1,0 мВ) деполяризующее изменение разности потенциалов (ВПСП — синапсы на схеме изображены в виде светлых кружков) либо гиперполяризующее (ТПСП — синапсы на схеме изображены в виде черных кружков). К разным точкам нейрона могут поступать одновременно множество сигналов, часть из которых трансформируется в ВПСП, а другие — в ТПСП.

Эти колебания разности потенциалов распространяются с помощью локальных круговых токов по мембране нейрона в направлении аксонного холмика в виде волн деполяризации (на схеме белого цвета) и гиперполяризации (на схеме черного цвета), накладывающихся друг на друга (на схеме участки серого цвета). При этом наложении амплитуды волны одного направления суммируются, а противоположных — уменьшаются (сглаживаются). Такое алгебраическое суммирование разности потенциалов на мембране получило название пространственного суммирования (рис. 4 и 5). Результатом этого суммирования может быть либо деполяризация мембраны аксонного холмика и генерация нервного импульса (случаи 1 и 2 на рис. 4), либо ее гиперполяризация и предотвращение возникновения нервного импульса (случаи 3 и 4 на рис. 4).

Для того чтобы сместить разность потенциалов мембраны аксонного холмика (около 30 мВ) до Е к, ее надо деполяризовать на 10-20 мВ. Это приведет к открытию имеющихся в ней потенциалзависимых натриевых каналов и генерации нервного импульса. Поскольку при поступлении одного ПД и его преобразовании в ВПСП деполяризация мембраны может достигать до 1 мВ, а се распространение к аксонному холмику идет с затуханием, то для генерации нервного импульса требуетсяодновременное поступление к нейрону через возбуждающие синапсы 40-80 нервных импульсов от других нейронов и суммирование такого же количества ВПСП.

Рис. 5. Пространственная и временная суммация ВПСП нейроном; а — BПСП на одиночный стимул; и — ВПСП на множественную стимуляцию от разных афферентов; в — ВПСП на частую стимуляцию через одиночное нервное волокно

Если в это время к нейрону поступит некоторое количество нервных импульсов через тормозные синапсы, то его активация и генерация ответного нервного импульса будет возможной при одновременном увеличении поступления сигналов через возбуждающие синапсы. В условиях, когда сигналы, поступающие через тормозные синапсы вызовут гиперполяризацию мембраны нейрона, равную или превышающую по величине деполяризацию, вызванную сигналами, поступающими через возбуждающие синапсы, деполяризация мембраны аксонного холмика будет невозможна, нейрон не будет генерировать нервные импульсы и станет неактивным.

Нейрон осуществляет также временное суммирование сигналов ВПСП и ТПСП, поступающих к нему почти одновременно (см. рис. 5). Вызываемые ими изменения разности потенциалов в околосинаптических областях также могут алгебраически суммироваться, что и получило название временного суммирования.

Таким образом, каждый генерируемый нейроном нервный импульс, равно как и период молчания нейрона, заключает информацию, поступившую от множества других нервных клеток. Обычно чем выше частота поступающих к нейрону сигналов от других клеток, тем с большей частотой он генерирует ответные нервные импульсы, посылаемые им по аксону к другим нервным или эффекторным клеткам.

В силу того что в мембране тела нейрона и даже его дендритов имеются (хотя и в небольшом числе) натриевые каналы, потенциал действия, возникший на мембране аксонного холмика, может распространяться на тело и некоторую часть дендритов нейрона. Значение этого явления недостаточно ясно, но предполагается, что распространяющийся потенциал действия на мгновение сглаживает все имевшиеся на мембране локальные токи, обнуляет потенциалы и способствует более эффективному восприятию нейроном новой информации.

В преобразовании и интеграции сигналов, поступающих к нейрону, принимают участие молекулярные рецепторы. При этом их стимуляция сигнальными молекулами может вести через инициированные (G-белками, вторыми посредниками) изменения состояния ионных каналов, трансформации воспринятых сигналов в колебание разности потенциалов мембраны нейрона, суммированию и формированию ответной реакции нейрона в виде генерации нервного импульса или его торможению.

Преобразование сигналов метаботропными молекулярными рецепторами нейрона сопровождается его ответом в виде запуска каскада внутриклеточных превращений. Ответной реакцией нейрона в этом случае может быть ускорение общего метаболизма, увеличение образования АТФ, без которых невозможно повышение его функциональной активности. С использованием этих механизмов нейрон интегрирует полученные сигналы для улучшения эффективности своей собственной деятельности.

Внутриклеточные превращения в нейроне, инициированные полученными сигналами, часто ведут к усилению синтеза белковых молекул, выполняющих в нейроне функции рецепторов, ионных каналов, переносчиков. Увеличивая их количество, нейрон приспосабливается к характеру поступающих сигналов, усиливая чувствительность к более значимым из них и ослабляя — к менее значимым.

Получение нейроном ряда сигналов может сопровождаться экспрессией или репрессией некоторых генов, например контролирующих синтез нейромодуляторов пептидной природы. Поскольку они доставляются в аксонные терминали нейрона и используются в них для усиления или ослабления действия его нейромедиаторов на другие нейроны, то нейрон в ответ на полученные им сигналы может в зависимости от получаемой информации оказывать более сильное или более слабое влияние на контролируемые им другие нервные клетки. С учетом того что модулирующее действие нейропептидов способно продолжаться в течение длительного времени, влияние нейрона на другие нервные клетки также может продолжаться долго.

Таким образом, благодаря способности интегрировать различные сигналы нейрон может тонко реагировать на них широким спектром ответных реакций, позволяющих эффективно приспосабливаться к характеру поступающих сигналов и использовать их для регуляции функций других клеток.

Нейронные цепи

Нейроны ЦНС взаимодействуют друг с другом, образуя в месте контакта разнообразные синапсы. Возникающие при этом нейронные пени многократно увеличивают функциональные возможности нервной системы. К наиболее распространенным нейронным цепям относят: локальные, иерархические, конвергентные и дивергентные нейронные цепи с одним входом (рис. 6).

Локальные нейронные цепи образуются двумя или большим числом нейронов. При этом один из нейронов (1) отдаст свою аксонную коллатераль нейрону (2), образуя на его теле аксосоматический синапс, а второй — образует аксоном синапс на теле первого нейрона. Локальные нейронные сети могут выполнять функцию ловушек, в которых нервные импульсы способны длительно циркулировать по кругу, образованному несколькими нейронами.

Возможность длительной циркуляции однажды возникшей волны возбуждения (нервного импульса) за счет передачи но кольцевой структуре, экспериментально показал профессор И.А. Ветохин в опытах на нервном кольце медузы.

Круговая циркуляция нервных импульсов по локальным нейронным цепям выполняет функцию трансформации ритма возбуждений, обеспечивает возможность длительного возбуждения после прекращения поступления к ним сигналов, участвует в механизмах запоминания поступающей информации.

Локальные цепи могут выполнять также тормозную функцию. Примером ее является возвратное торможение, которое реализуется в простейшей локальной нейронной цепи спинного мозга, образуемой а-мотонейроном и клеткой Реншоу.

Рис. 6. Простейшие нейронные цепи ЦНС. Описание в тексте

При этом возбуждение, возникшее в мотонейроне, распространяется по ответвлению аксона, активирует клетку Реншоу, которая тормозит а-мотонейрон.

Конвергентные цепи образуются несколькими нейронами, на один из которых (обычно эфферентный) сходятся или конвергируют аксоны ряда других клеток. Такие цепи широко распространены в ЦНС. Например, на пирамидные нейроны первичной моторной коры конвергируют аксоны многих нейронов чувствительных полей коры. На моторные нейроны вентральных рогов спинного мозга конвергируют аксоны тысяч чувствительных и вставочных нейронов различных уровней ЦНС. Конвергентные цепи играют важную роль в интеграции сигналов эфферентными нейронами и осуществлении координации физиологических процессов.

Дивергентные цепи с одним входом образуются нейроном с ветвящимся аксоном, каждая из ветвей которого образует синапс с другой нервной клеткой. Эти цепи выполняют функции одновременной передачи сигналов от одного нейрона на многие другие нейроны. Это достигается за счет сильного ветвления (образования нескольких тысяч веточек) аксона. Такие нейроны часто встречаются в ядрах ретикулярной формации ствола мозга. Они обеспечивают быстрое повышение возбудимости многочисленных отделов мозга и мобилизацию его функциональных резервов.

14 Декабря 2017

Нейроны – особая группа клеток организма, распространяющих информацию по всему телу. Используя электрические и химические сигналы, они помогают мозгу координировать все жизненно необходимые функции.

Если упростить, задачи нервной системы – собрать сигналы, поступающие из окружающей среды или из организма, оценить ситуацию, принять решение, как на них отреагировать (например, изменить частоту сердечных сокращений), а также подумать о происходящем и запомнить это. Основной инструмент для выполнения этих задач – нейроны, сплетенные по всему организму сложной сетью.

По средним оценкам, количество нейронов в головном мозге составляет 86 миллиардов, каждый из них связан еще с 1000 нейронов. Это создает невероятную сеть взаимодействия. Нейрон – основная единица нервной системы.

Нейроны (нервные клетки) составляют около 10% мозга, остальное – глиальные клетки и астроциты, функция которых заключается в поддержании и питании нейронов.

Как выглядит нейрон?

В строении нейрона можно выделить три части:

· Тело нейрона (сома) – получает информацию. Содержит ядро клетки.

· Дендриты – короткие отростки, принимающие информацию от других нейронов.

· Аксон – длинный отросток, несет информацию от тела нейрона в другие клетки. Чаще всего аксон оканчивается синапсом (контактом) с дендритами других нейронов.

Дендриты и аксоны называют нервными волокнами.

Аксоны сильно варьируют по длине, от нескольких миллиметров до метра и более. Самыми длинными являются аксоны спинномозговых ганглиев.

Типы нейронов

Классификацию нейронов можно провести по нескольким параметрам, например, по строению или выполняемой функции.

Типы нейронов в зависимости от функции:

· Эфферентные (двигательные) нейроны – несут информацию от центральной нервной системы (головного и спинного мозга) к клеткам других частей тела.

· Афферентные (чувствительные) нейроны – собирают информацию от всего организма и несут ее в центральную нервную систему.

· Вставочные нейроны – передают информацию между нейронами, чаще в пределах центральной нервной системы.

Как нейроны передают информацию?

Нейрон, получая информацию от других клеток, накапливает ее до тех пор, пока она не превысит определенный порог. После этого нейрон посылает по аксону электрический импульс – потенциал действия.

Потенциал действия формируется движением электрически заряженных частиц через мембрану аксона.

В состоянии покоя электрический заряд внутри нейрона отрицательный относительно окружающей его межклеточной жидкости. Эта разница называется мембранным потенциалом. Обычно он составляет 70 милливольт.

Когда тело нейрона получает достаточно заряда, и он «выстреливает», в соседнем участке аксона происходит деполяризация – мембранный потенциал быстро растет, а затем падает примерно за 1/1000 секунды. Этот процесс запускает деполяризацию соседнего участка аксона, и так далее, пока импульс не пройдет по всей длине аксона. После процесса деполяризации наступает гиперполяризация – кратковременное состояние отдыха, в этот момент передача импульса невозможна.

Потенциал действия чаще всего генерируют ионы калия (К+) и натрия (Na+), которые по ионным каналам перемещаются из межклеточной жидкости внутрь клетки и обратно, меняя заряд нейрона и делая его сначала положительным, а затем снижая его.

Потенциал действия обеспечивает работу клетки по принципу «все или ничего», то есть импульс или передается, или нет. Слабые сигналы будут накапливаться в теле нейрона до тех пор, пока их заряда не будет достаточно для передачи по отросткам.

Миелин

Миелин – это белое густое вещество, покрывающее большинство аксонов. Это покрытие обеспечивает электроизоляцию волокна и повышает скорость прохождения импульса по нему.

Миелинизированное волокно в сравнении с немиелинизированным.

Миелин вырабатывается шванновскими клетками на периферии и олигодендроцитами в центральной нервной системе. По ходу волокна миелиновая оболочка прерывается – это перехваты Ранвье. Потенциал действия перемещается от перехвата к перехвату, что обеспечивает быструю передачу импульса.

Такое распространенное и серьезное заболевание, как рассеянный склероз, вызвано разрушением миелиновой оболочки.

Как работают синапсы

Нейроны и ткани, которым они передают импульс, физически не соприкасаются, между клетками всегда существует пространство – синапс.

В зависимости от способа передачи информации, синапсы могут быть химическими и электрическими.

Химический синапс

После того как сигнал, передвигаясь по отростку нейрона, достигает синапса, происходит высвобождение химических веществ – нейромедиаторов (нейротрансмиттеров) в пространство между двумя нейронами. Это пространство называют синаптической щелью.

Схема строения химического синапса.

Нейромедиатор из передающего (пресинаптического) нейрона, попадая в синаптическую щель, взаимодействует с рецепторами на мембране принимающего (постсинаптического) нейрона, запуская целую цепь процессов.

Виды химических синапсов:

· глютаматэргический – медиатором является глютаминовая кислота, обладает возбуждающим эффектом на синапс;

· ГАМК-эргический – медиатором является гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), обладает тормозящим эффектом на синапс;

· холинергический – медиатором является ацетилхолин, осуществляет нервно-мышечную передачу информации;

· адренергический – медиатором является адреналин.

Электрические синапсы

Электрические синапсы встречаются реже, распространены в центральной нервной системе. Клетки сообщаются посредством особых белковых каналов. Пресинаптическая и постсинаптическая мембраны в электрических синапсах расположены близко друг к другу, поэтому импульс способен проходить непосредственно от клетки к клетке.

Скорость передачи импульса по электрическим синапсам гораздо выше, чем по химическим, поэтому они расположены преимущественно в тех отделах, где необходима быстрая реакция, например, отвечающих за защитные рефлексы.

Еще одно отличие двух типов синапсов в направлении передачи информации: если химические синапсы могут передавать импульс только в одном направлении, то электрические в этом смысле универсальны.

Заключение

Нейроны – это, пожалуй, самые необычные клетки организма. Каждое действие, которое осуществляет тело человека, обеспечивается работой нейронов. Сложная нейронная сеть формирует личность и сознание. Они отвечают как за самые примитивные рефлексы, так и за самые сложные процессы, связанные с мышлением.

Тело человека является невероятно сложной и запутанной системой, которая до сих пор сбивает с толку врачей, исследователей, несмотря на тысячи лет медицинских знаний. В результате появляются причудливые и порой невероятные факты нашего организма.

Мозг является наиболее сложной и наименее понятной частью человеческой анатомии. О нем, может быть, мы многого не знаем, но вот несколько очень интересных фактов, о которых известно.

Факты о скорости импульсов в мозге

Нервные импульсы путешествуют по мозгу со скоростью 273 км в час.

Вы никогда не задумывались, почему реагируете так быстро на происходящее вокруг Вас? Почему пораненный палец болит сразу? Это связано с чрезвычайно быстрым движением нервных импульсов от мозга к частям Вашего тела и наоборот. В результате чего скорость реакции нервных импульсов сравнима со скоростью мощного роскошного спортивного автомобиля.

Факты об энергии головного мозга

Мозг вырабатывает энергию эквивалентную лампочке 10 Ватт. Мультфильмы, где над героями весит лампочка над головой во время мыслительного процесса, не слишком далеки от истины. Ваш мозг генерирует столько энергии, сколько употребляет небольшая лампочка, даже когда Вы спите.

Между тем мозг является органом с самым большим потреблением энергии. Он забирает из организма около 20% энергии, при этом составляет 2% от общего веса тела. Большая часть этой энергии тратится на обмен информацией между нейронами, а также между нейронами и астроцитами (тип клеток).

Факты о памяти мозга

Человеческие клетки мозга могут хранить в 5 раз больше информации, нежели Британская или другая энциклопедии.

Ученым еще предстоит узнать окончательные цифры, однако предположительно емкость мозга в электронных терминах составляет около 1000 терабайт.

К примеру, национальный архив Великобритании, содержащий исторические летописи за 900 лет занимает всего 70 терабайт. Это делает человеческую память впечатляюще вместительной.

Факты о кислороде в головном мозге

Ваш мозг использует 20% кислорода, которым Вы дышите. Несмотря на маленькую массу мозга, он употребляет больше кислорода, чем какой-либо другой орган в теле человека.

Это делает мозг очень чувствительным к повреждениям, связанным с лишением кислорода. Поэтому ему нравится, когда Вы дышите глубоко.

Если приток кислорода к мозгу увеличить, то начнут активизироваться те области мозга, которые не функционировали при слабом кровяном течении и процесс старения, отмирания клеток замедлится.

Интересный факт! Сонные артерии имеют разветвления в мельчайшие сосуды внутри черепа, образуя запутанную и удивительную сеть капилляров. Это очень тонкие кровеносные тоннели, которые обеспечивают доступ крови к малейшим участкам мозга, обеспечивая необходимым количеством нейронов и кислорода.

Факты о работе мозга во сне

Мозг более активен ночью, чем днем. Логически можно предположить, что мыслительные процессы, сложные расчеты и задачи мы совершаем в течение рабочего дня, для чего потребовалось бы большей деятельности мозга, чем, скажем лежа в постели.

Оказывается верно и обратное. Как только Вы засыпаете, мозг продолжает работать. Ученые до конца пока не знают, почему так, но за все сны Мы должны быть признательны именно этому органу.

Интересный факт! В раннем детстве нет разницы между сном и бодрствованием. Объясняют это местом мышления в мозге. Именно в детстве почти все мыслительные процессы происходят в правом полушарии. Ребенок познает мир образами. Поэтому воспоминания у ребенка похожи на сны по своей структуре.

Повзрослевшего ребенка учат уже готовыми и определенными понятиями, чем «забивают» наш мозг. Поэтому происходит ассиметрия нашего мозга. Левое полушарие перегружается за время дневной работы. Ситуация как бы выравнивается во время сна, когда левое полушарие «засыпает», а правое начинает активно действовать, погружая нас в мир образного мышления.

Факты о работа мозга во время мечтаний

Ученые утверждают, что чем выше I.Q. человека, тем больше он мечтает.

Это конечно может быть правдой, но не стоит воспринимать такое утверждение как нехватку мыслей, если Вы не можете вспомнить свои мечты. Большинство из нас не помнят многих мечтаний. Ведь время большинства мечтаний, о которых мы думаем всего 2-3 секунды, а этого едва хватает, чтобы мозг их зафиксировал.

Интересный факт! Ученые провели эксперимент, в результате которого было обнаружено, что мозг намного активнее у человека, когда он мечтает, а не сосредоточен на однотонной работе.

В момент начала процесса мечтания большая часть отделов головного мозга начинает работать усиленно. Поэтому можно сделать заключение, что мечты помогают в разрешении всех важных проблем.

Факты о количестве нейронов в мозге

Количество нейроны в мозге продолжают расти на протяжении всей человеческой жизни.

В течение многих лет ученые и врачи считали, что мозг и нервная ткань не может расти или восстанавливаться. Но оказалось, что мозг работает так же, как и ткани многих других частей тела. Поэтому количество нейронов может расти постоянно.

К сведению! Нейроны — это основа любой нервной системы. Это специальные клетки, у которых древовидные отростки расходятся во все стороны, соприкасаясь с соседними клетками, у которых такие же отростки. Все это формирует огромную химическую и электрическую сеть, что и является нашим мозгом.

Именно нейроны позволяют мозгу совершать разные действия намного эффективнее и быстрее, чем любая созданная машина.

Факты о боли: Мозг не чувствует боль!

Сам мозг не может чувствовать боль. В то время как мозг является центром обработки боли, когда вы порезали палец, или обожглись, сам он не имеет болевых рецепторов и не чувствует боль.

Однако мозг окружен множеством тканей, нервов и кровеносных сосудов, которые очень восприимчивы к боли и могут создать Вам головную боль.

Тем не менее, головные боли имеют различные виды, и точные причины возникновения многих остаются неясными.

Человеческий мозг и вода

80% мозга состоит из воды. Ваш мозг – это не сплошная серая масса, которую показывают по телевизору. Он представляет собой мягкую и розовую ткань благодаря пульсирующей там крови и высокому содержанию воды.

Так, что когда Вы чувствуете жажду это, то в том числе, потому что мозг требует воды.

Интересный факт! В среднем мозг человека весит 1,4 кг и он чрезвычайно чувствителен к потере воды. Если мозг будет обезвожен продолжительное время, то его правильное существование прекратится.

Возможно, Вы видели в кино или слышали о том, что мозг человека используется им лишь на 10%. Кстати, данное утверждение приписывается даже Альберту Эйнштейну, который указывал на якобы малую деятельность нашего мозга. Но на самом деле это не соответствует действительности (если бы Эйнштейн знал, что на него наговаривают, то наверняка бы очень удивился).

Вот если эта цифра была бы 100%, то тогда люди обладали бы сверхспособностями. Так уверяют нас непонятно откуда взявшиеся слухи.

Почему же этот миф так долго живет и продолжает распространяться?

Мифы и заблуждения людей о мозге

Результаты исследований показывают, что 65% опрошенных людей считают этот миф правдой; а 5% думают, что эта цифра увеличивается, веря в эволюцию.

Даже телешоу «Разрушители мифов» несколько лет назад ошибочно исправило миф о 10% задействованного мозга на 35%.

Как и большинство легенд, происхождение этого вымысла не ясно, хотя есть некоторые догадки. Истоки идут от нейробиолога Сэма Вана (Sam Van) из Пристона автора книги «Добро пожаловать в Ваш мозг».

Возможно, это был Уильям Джеймс (William James), который вначале 20 века считался одним из самых влиятельных мыслителей психологии. Он говорил: «У людей есть неиспользовавшийся интеллектуальный потенциал».

Это вполне разумное утверждение позже возродилось в искаженной форме писателем Лоуэллом Томасом (Lowell Thomas) в 1936 году в своем предисловии к книге «Как завоевывать друзей и оказывать влияние на людей».

«Профессор Уильям Джеймс из Гарварда говорил, что средний человек развивает только 10 процентов его скрытой психической способности», пишет Томас. Похоже на то, что он или кто-то еще в свое время упомянул просто понравившееся ему число.

Указание на 10% явно является ложным по нескольким причинам.

На сколько процентов работает мозг человека?

Всем известен тот факт , что весь мозг активен все время . Мозг является органом. Его живые нейроны и клетки, которые в свою очередь поддерживаются этими нейронами, всегда вызывают активность. Вы когда-нибудь слышали про то, что селезенка используется лишь на 10%? Наверняка нет.

Вот как объясняет работу головного мозга человека профессор неврологии и психологии в Университете Нью-Йорка Джо Лед. Допустим, Вы смотрите видео изображение в сканере магнитно-резонансной томографии.

Некоторые участки мозга, отвечающие за слух или визуализацию, к примеру, сейчас активны больше чем другие участки. Их деятельность будет изображена в виде цветных пятен.

Эти сгустки значимой деятельности, как правило, занимают небольшие части мозга, даже меньше 10%. Поэтому может показаться не знающему человеку, что остальная часть мозга работает на «холостом ходу».

Однако Джо Лед утверждает, что мозг при небольших действиях определенных функций все равно работает на все 100%.

На самом деле утверждения «только определенная часть мозга» являются ошибочными. Когда наш мозг работает над обработкой информации, поступающей из глаз, ушей, органов обоняния, то сначала он думает каким участком обрабатывать эту информацию.

Все это говорит о том, что у мозга множество участков, отвечающих за определенную специализацию. Работать эти участки могут, в том числе и одновременно, что вполне может составлять до 100% работы мозга. Мозг — это сложная, многозадачная сеть ткани.

Разговоры о том, что в мозгу постоянно работает только одна часть, а остальные являются застоявшейся желейной массой, глупы.

Факты обмана: Мозг можно обмануть!

Хотелось бы вам изменить ваше видение мира или испытать галлюцинации? Люди, как правило, ассоциируют такие явления с приемом наркотиков, таких как ЛСД. Однако есть способы расширить свои границы восприятия и без того чтобы прибегать к запрещенным веществам. Все что нужно — это понять, как работает наш мозг.

Наш разум — это не зеркало того, что происходит вокруг. Большая часть того, что мы видим во внешнем мире исходит изнутри и является побочным продуктом того, как мозг обрабатывает ощущения. За последние годы ученые нашли несколько способов, которые раскрывают обманчивость наших органов чувств, и вот некоторые из них.

1. Процедура Ганцфелда

На первый взгляд это может показаться плохим розыгрышем. Процедура Ганцфелда является мягкой техникой сенсорной изоляции, которая впервые была предложена в экспериментальной психологии в 1930-х годах. Для этого эксперимента нужно настроить радио на помехи, лечь на диван и с помощью лейкопластыря прикрепить на глаза по половинке шариков от настольного тенниса . В течение минуты человек начинает испытывать галлюцинации. Некоторые люди видят лошадей, бегущих в облаках, другие слышат голос умершего родственника.

Все дело в том, что наш разум зависим от ощущений и когда их становится очень мало, наш мозг начинает изобретать свои собственные .

2. Уменьшение боли

Если вы вдруг слегка поранились, посмотрите на поврежденную часть с помощью перевернутого бинокля . В этом случае, боль должна уменьшиться.

Ученые из Оксфордского университета в эксперименте продемонстрировали, что если смотреть на раненную руку через дальний конец бинокля, это визуально уменьшает размер руки, а также боль и припухлость.

Это говорит о том, что даже основные ощущения такие как боль зависят от нашего видения.

3. Иллюзия Пиноккио

Для этого опыта нужно два стула и повязка на глаза. Человек с повязкой садится на заднем сидении, направив взгляд в направлении впереди сидящего человека. Затем тот, у кого завязаны глаза, протягивает руку и помещает ее на нос того, кто сидит впереди.

В то же время другой рукой он касается своего носа и начинает слегка поглаживать оба носа. Примерно через минуту, больше 50 процентов людей заявляют, что их нос удлиняется . Это называется эффект Пиноккио или проприорецепция.

4. Обман мышления

Поднимите правую ногу на несколько сантиметров от пола и начните двигать ее в направлении часовой стрелки. Пока вы это делаете, используйте указательный палец правой руки, чтобы нарисовать в воздухе цифру 6. Ваша нога начнет поворачиваться против часовой стрелки, и вы ничего не сможете с этим поделать.

Левая половина мозга, которая контролирует правую часть тела, отвечает за ритм и синхронность. Она не может справиться с работой двух противоположных движений в одно и то же время и сочетает их в одно движение .

5. Обман слуха

Этот трюк можно проделать с тремя людьми, один из которых будет подопытным, а другие два – наблюдателями. Также вам нужны будут наушники, присоединенные к двум пластиковым трубкам с двух сторон. Попросите испытуемого сесть на стул на равном удалении между двумя наблюдателями. Каждый наблюдатель по очереди говорит в трубку с соответствующей стороны. Слушатель в этом случае правильно определяет направление звука.

Если же поменяться трубками и начать говорить, то слушатель запутается, и будет указывать противоположное от звука направление .

Слуховая локализация — это способность человека определять направление на источник звука. Слуховая система человека наделена ограниченными возможностями определять расстояние источника звука, и основывается на межзвуковой разнице во времени. Когда вы меняете трубки, то задействуется восприятие нейронов с противоположной стороны мозга и человек не может определить источник звука.

6. Иллюзия резиновой руки

Больше десяти лет назад психологи обнаружили иллюзию, которая позволяет убедить человека в том, что резиновая рука является его собственной. Для этого опыта нужна резиновая рука или надутая резиновая перчатка, кусок картона и две кисточки. Поместите резиновую руку на стол перед собой, а свою руку спрячьте за картон. Попросите кого-то одновременно поглаживать настоящую и резиновую руку, используя одни и те же движения кисточками.

Через несколько минут у вас появится ощущение, будто искусственная рука стала вашей плотью . Если попросить другого человека ударить резиновую руку, человек почувствует беспокойство и боль, так как мозг убежден, что резиновая рука настоящая.

7. Звук, который слышен тем, кому до 20-ти

Этот звук – синусоида частотой 18 000 Герц слышна тем, кому еще нет 20-ти лет. Он используется некоторыми подростками в качестве рингтона на мобильном телефоне, чтобы другие люди не смогли услышать, звонит ли телефон.

По мере того, как человек становится старше, он теряет способность слышать звуки более высоких тонов и поэтому только молодые люди младше 20 способны его уловить.

8. Эффект Пуркинье

Ян Пуркинье – основатель современной нейронауки, будучи еще ребенком, обнаружил интересную галлюцинацию. Он закрыл глаза, повернул голову в сторону солнца и начал быстро водить рукой вперед-назад перед закрытыми глазами .

Через несколько минут, Пуркинье заметил разноцветные фигуры, которые становились все более замысловатыми.

Впоследствии ученые создали специальные очки, на которых загорался свет в определенной частоте. Такая стимуляция создает короткое замыкание в визуальной коре мозга, и клетки начинают «загораться» непредсказуемым образом, что ведет к появлению выдуманных изображений.

9. Обман восприятия света

Посмотрите в центральную точку (знак плюса) черно-белого изображения в течение, по крайней мере, 30-ти секунд, а затем отведите взгляд на стену , и вы увидите яркое пятно. Поморгайте несколько раз. Что вы видите?

Посмотрите на глаз красного попугая, пока медленно считаете до 20-ти, и затем быстро посмотрите в одну точку в пустой клетке. У вас перед глазами должно появиться туманное изображение сине-зеленой птицы в клетке. То же самое можно проделать с зеленым кардиналом и в клетке появится неотчетливый силуэт птицы пурпурного цвета.

Когда мы смотрим на изображение на протяжении какого-то времени, а затем заменяем его белым фоном, то появляется остаточный образ . Это объясняется тем, что фоторецепторы (палочки и колбочки) глаз устают, возникает дисбаланс информации и появляется послеобраз.

10. Иллюзия вращающегося силуэта

Посмотрите на вращающийся силуэт девушки. Вы видите, как он вращается по часовой или против часовой стрелки? Как правило, если вы видите как силуэт вращается в одном направлении, скажем против часовой стрелки, то вам сложно увидеть его в противоположном направлении.

На самом деле, это двухмерное изображение не вращается в каком-либо направлении, а сдвигается вперед — назад . Но наш мозг воспринимает его как трехмерное изображение и интерпретирует соответственно.

Если вы посмотрите вокруг изображения, сфокусировавшись на тени или другой части, вы сможете заставить свою визуальную систему перестроиться на другое направление.

Новые статьи и фотографии в рубрике "

До недавнего времени тема «Количество нейронов в мозге человека» оставалась решенной и достаточно исследованной. Ученые считали, что мозг насчитывает около 100 миллиардов клеточных ядер, эта информация была описана многими научными деятелями. Доказательства того, что их в действительности меньше предоставил бразильский невролог Сюзанна Херкулано-Хоузес.

Новый способ подсчетов нейронов

Достаточно длительное время количество нейронов получали обычным поэтапным способом:

• брали маленький кусочек мозга;
• пересчитывали в нем клеточные ядра;
• полученный результат увеличивался пропорционально размерам всего мозга.

Сколько нейронов в мозге человека Сюзанна определила другим, очень необычным методом. После смерти 4 пожилых мужчин, которые были согласны с тем, что их органы будут использованы в науке, бразильский доктор превратил их мозги в «смесь». Возраст людей был от 50 до 71 года, при этом их летальный исход не был связан ни с одной невралгической болезнью.

Таким образом, удалось посчитать клеточные ядра, принадлежащие нейронам, их оказалось 86 миллиардов. В интервью для журнала «Nature» доктор Херкулано-Хоузес поделилась итогами анализа, указав, что ни в одном из обследованных ими мозговых центров не подтвердилось наличие такой суммы частиц, как 100 миллиардов. Разрыв в 14 миллиардов огромен, если знать, что в мозге павиана находится такое же количество клеток, а у гориллы только 7 миллиардов.

Это заявление вызвало очень много диспутов, поскольку почти во всех научных статьях, описывающих зеркальные нейроны мозга, указано, что их количество 100 миллиардов.

Сюзанна Херкулано-Хоузел согласна с тем, что ее метод «мозговой смеси» открыл новую, требующую дополнительного изучения, информацию, при этом объяснить то, почему количество нейронов в мозге человека значительно меньше, чем предполагали раньше, бразильянка не смогла.

В одном из научных изданий она указала, что перед тем, как приступить к опыту, у нее ушло достаточно длительное время на то, чтобы примирится со страшной мыслью – мозги будут превращены в «смесь». На данный момент бразильянка считает, что проведенный анализ дал совершенно новые данные, поэтому сам процесс, каким бы неприятным он ни был – всего лишь один из методов науки. Способ исследования, где происходит деление мозга на мелкие частицы.

Влияние количества нейронов на мозговую активность

Хотя результаты опыта бразильских ученых говорят о том, что способность человеческой мозговой активности намного ниже, чем было доказано ранее, люди все равно остаются самыми разумными индивидами на земле. Это можно легко подтвердить, сравнив человека и примата. Подведя итоги сравнительной характеристики, можно с точностью сказать, что люди имеют больше нейронов, отвечающих за умственные процессы, а это не позволяет усомниться в преимуществе человека над приматом.

На заметку: Интернет-проект VashaPechen.ru - здесь находится отличная диета при стеатозе печени. Рекомендуем вам уже сегодня посетить этот сайт и ознакомиться с отличными диетами.

Почему мозг начинает стареть после 20 лет, отличается ли мозг гениев и преступников, восстанавливаются ли нервные клетки, почему они массово гибнут у младенцев?

1. Даже младенцы теряют нервные клетки.
Сколько нейронов (нервных клеток) в мозге человека? У нас их около 85 миллиардов. Для сравнения, у медузы - всего 800, у таракана - миллион, а у осьминога - 300 млн.

Многие считают, что нервные клетки гибнут лишь в пожилые годы, но большая их часть теряется нами еще в детстве, когда в голове ребенка происходит процесс естественного отбора.

Как в джунглях, среди нейронов выживают наиболее эффективные и приспособленные. Если нервная клетка простаивает без работы, у нее включается механизм самоликвидации.

Целые сети нейронов в мозгу малыша борются за существование. Они с разной быстротой и разной эффективностью решают одни и те же насущные задачи, отвечают на бесчисленные вопросы, как команды знатоков в игре «Что, где, когда?».

Проиграв в честной борьбе, слабые команды выбывают, освобождая место победителям. Это ни плохо, ни хорошо, это нормально. Таков суровый, но необходимый процесс естественного отбора в мозге - нейродарвинизм.

2. Нейронов – миллиарды.
Бытует мнение, что каждая нервная клетка - это простейший элемент памяти, как один бит информации в памяти компьютера. Несложные подсчеты показывают, что в этом случае кора нашего мозга вмещала бы всего 1-2 гигабита или не более 250 мегабайт памяти, что никак не соответствуют тому объему слов, знаний, понятий, образов и прочей информации, которой мы владеем. Конечно, нейронов огромное количество, но их, безусловно, не хватит, чтобы вместить все это. Каждый нейрон является интегратором и носителем, множества элементов памяти - синапсов.

3. Гениальность не зависит от размера мозга
Мозг человека весит примерно 1200 - 1400 грамм. Мозг Эйнштейна, к примеру, 1 230 г, не самый большой. Мозг слона почти в четыре раза больше, самый крупный мозг у кашалота - 6800 граммов. Дело здесь не в массе.

В чем разница между мозгом гения и обычного человека? По обложке книги или по числу страниц никогда не скажешь, вышла она из-под пера мастера или графомана. Кстати, и среди преступников попадаются весьма умные люди. Для оценки нужны совершено другие единицы измерения, которых пока не существует. Но в целом мощность мозга зависит от числа синаптических контактов (мозг состоит отнюдь не из одних нейронов, в нем заключено огромное множество вспомогательных клеток. Его пересекают большие и малые кровеносные сосуды, а в центре мозга скрыты четыре так называемых мозговых желудочка , заполненных цереброспинальной жидкостью...).

Главную интеллектуальную мощь мозга составляют нейроны его коры. Особенно важна плотность синаптических контактов между нейронами, а никак не физический вес. Ведь не станем же мы по весу в килограммах определять быстроту компьютера.

По этому показателю мозг животных, даже высших приматов, существенно меньше человеческого. Мы проигрываем животным в скорости бега, в силе и выносливости, в способности лазить по деревьям.… Собственно, во всем, кроме ума.

Мышление, сознание - это то, что отличает человека от животных. Тогда возникает вопрос: почему бы человеку не обзавестись еще более вместительным мозгом?

Ограничивающим фактором является сама анатомия человека. Размер нашего мозга, в конце концов, определяется размером родовых путей женщины, которая не сможет родить ребенка со слишком большой головой. В каком-то смысле мы - пленники собственного строения. И в этом смысле человек не может стать существенно умнее, если только в один прекрасный день не изменит себя сам.

4. Многие болезни можно будет лечить, внедряя в нервные клетки новые гены.
Генетика - невероятно успешная наука. Мы научились не только исследовать гены, но и создаем новые, перепрограммируем их. Пока это лишь эксперименты на животных, и идут они более чем успешно. Близится время, когда многие болезни можно будет вылечить, внедряя в клетки новые или модифицированные гены. Не проводятся ли опыты над человеком? Тайные лаборатории существуют только в фантастических фильмах. Такие научные манипуляции осуществимы только в крупных научных центрах и требуют больших усилий. Беспокойство о несанкционированном взломе человеческого генома на сегодняшний день лишено оснований.

5. Человек использует лишь толику возможностей своего мозга? Это миф.
Многие почему-то считают, что человек использует лишь небольшую часть возможностей своего мозга (скажем, 10, 20 и так далее процентов). Трудно сказать, откуда взялся этот странный миф. Верить в него не стоит. Эксперименты показывают, что нервные клетки, не задействованные в работе мозга, погибают.

Природа рациональна и экономна. В ней ничего не откладывается на всякий случай, про запас. Живым существам невыгодно и просто вредно содержать в мозгу «бездельников». Лишних клеток у нас нет.

6. Нервные клетки восстанавливаются.
Несколько лет назад в 83-летнем возрасте скончался очень известный пациент, американец Генри Моллисон. Еще в молодости врачи, чтобы сохранить ему жизнь, полностью удалили из мозга гиппокамп (от греческого - морской конек), являвшийся источником эпилепсии. Результат оказался тяжелым и неожиданным. Больной потерял способность что-либо запоминать. Он остался совершенно нормальным человеком, мог поддерживать беседу. Но стоило вам выйти за дверь всего на несколько минут, и он воспринимал вас как совершенно незнакомого человека. Каждое утро на протяжении десятков лет Моллисону приходилось заново познавать мир в той его части, каким мир стал после операции (все, что предшествовало операции, больной помнил). Так, волею случая, было установлено, что гиппокамп отвечает за формирование новой памяти. В гиппокампе восстановление нервных клеток (нейрогенез) происходит сравнительно интенсивно. Но значение нейрогенеза не следует переоценивать, его вклад все же невелик.

Дело не в том, что организм злонамеренно желает навредить себе. Центральная нервная система похожа на сложную сеть волокон, на переплетенный клубок проводов. Создать новую нервную клетку организму было бы несложно. Однако сама сеть давно уже сформирована. Как же в нее встроиться новой клетке, чтобы не создать помех? Это можно было бы сделать, найдись в мозгу инженер, который разберется в клубке «проводов». К сожалению, такой должности в мозгу не предусмотрено. Поэтому восстановление клеток мозга взамен утраченных затруднено. Немного помогает слоистая структура коры , она помогает новым клеткам встраиваться в нужное место. Благодаря этому небольшое восстановление нервных клеток все-таки существует.

7. Как одна часть мозга спасает другую
Ишемический инсульт мозга - тяжелая болезнь. Она связана с закупоркой кровеносных сосудов , подводящих кровь. чрезвычайно чувствительна к кислородному голоданию и быстро отмирает вокруг закупорившегося сосуда. Если зона поражения не находится в одном из жизненно важных центров, человек выживает, но при этом может частично утратить подвижность или речь. Тем не менее, через продолжительное время (иногда - месяцы, годы) утраченная функция частично восстанавливается. Если нейронов не становится больше, то за счет чего это происходит? Известно, что кора головного мозга имеет симметричное строение. Все ее структуры поделены на две половины, левую и правую, но поражена лишь одна из них. Со временем можно заметить медленное прорастание отростков нейронов из сохранившейся структуры в пострадавшую. Отростки удивительным образом находят правильный путь и частично компенсируют возникший недостаток. Точные механизмы этого процесса остаются неизвестными. Если мы научимся управлять процессом восстановления, регулировать его, это не только поможет при лечении инсультов, но и раскроет одну из самых больших тайн мозга.

8. Когда-то победило правое
Кора головного мозга, как все мы знаем, состоит из двух полушарий. Они несимметричны. Как правило, левое - важнее. Мозг устроен так, что правая часть управляет левой стороной тела, и наоборот. Именно поэтому, у большинства людей доминирует правая рука, управляемая левым полушарием. Между двумя полушариями существует своеобразное разделение труда. Левое отвечает за мышление, сознание и речь. Именно оно мыслит логически и совершает математические операции. Речь - не просто инструмент общения, не только способ передать мысль. Чтобы понять явление или предмет, нам совершенно необходимо его назвать. Например, обозначив класс абстрактным понятием «9а» мы избавляем себя от необходимости всякий раз перечислять всех учеников. Абстрактное мышление свойственно человеку, и лишь в малой степени - некоторым животным. Оно невероятно ускоряет и усиливает мышление, поэтому речь и мышление в каком-то смысле очень близкие понятия.

Правое полушарие отвечает за распознавание образов, эмоциональное восприятие. Оно почти не умеет говорить. Откуда это известно? «Помогла» эпилепсия. Обычно болезнь гнездится только в одном полушарии, но может перекинуться и на второе. В 60-ые годы прошлого века врачи задумались о том, нельзя ли перерезать связи между обоими полушариями ради спасения жизни пациента. Несколько таких операций было проведено. Когда у пациентов прервана естественная связь левого и правого полушарий, то и у исследователя появляется возможность «разговаривать» с каждым из них по отдельности. Было установлено, что у правого полушария весьма ограниченный запас слов. Оно может изъясняться простыми фразами, но абстрактное мышление правому полушарию недоступно. Вкусы и взгляды на жизнь у двух полушарий могут сильно различаться и даже вступать в явные противоречия.

У животных нет центров речи, поэтому и явной асимметрии полушарий у них не выявлено.

Существует гипотеза о том, что несколько тысяч лет назад полушария мозга человека были вполне равноправны. Психологи полагают, что «голоса», так часто упоминаемые в древних источниках, были не чем иным как голосом правого полушария, а не метафорой или художественным приемом.

Как же получилось, что левое полушарие стало доминировать? С развитием мышления и речи одно из полушарий просто обязано было «победить», а другое «уступить», потому что двоевластие в пределах одной личности нерационально. По какой-то причине победа досталась левому полушарию, но нередко встречаются люди, у которых, напротив, доминирует .

9. У правого полушария словарный запас ребенка, зато фантазия круче
Важнейшая функция правого полушария - восприятие зрительных образов. Представим себе картину, висящую на стене. А теперь мысленно расчертим ее на квадратики и начнем постепенно закрашивать их случайным образом. Детали рисунка начнут пропадать, но пройдет довольно много времени, прежде чем мы перестанем понимать, что же именно изображено на картине.

Наше сознание обладает удивительной способностью воссоздавать картину по отдельным фрагментам.

Кроме того, мы наблюдаем динамичный, подвижный мир, почти как в кино. Фильм не рисуется нам в виде отдельных сменяющихся кадров, а воспринимается в постоянном движении.

Еще одной удивительной способностью, которой мы наделены, является умение видеть мир объемным, трехмерным. Совершенно плоская картина отнюдь не кажется плоской.

Одной только силой воображения правое полушарие нашего мозга наделяет картину глубиной.

10. Мозг начинает «стареть» после 20 лет
Главная задача мозга - усваивать прижизненный опыт. В отличие от наследственных признаков, которые остаются неизменными на протяжении всей жизни, мозг способен учиться и запоминать. Однако он не безразмерен и в какой-то момент может просто переполниться, так, что свободного места в памяти больше не будет. В таком случае мозг начнет стирать старые «файлы». Но это чревато серьезной опасностью того, что сотрется нечто важное ради какой-нибудь чепухи. Чтобы этого не произошло, эволюция нашла любопытный выход.

До 18-20 лет мозг активно и неразборчиво поглощает любую информацию. Успешно дожив до этих лет, которые в прошлом считались солидным возрастом, мозг постепенно меняет стратегию с запоминания на сохранение того, что усвоено, дабы не подвергать накопленные знания опасности случайного стирания. Процесс этот происходит медленно и планомерно на протяжении всей жизни каждого из нас. Мозг становится все более консервативным. Поэтому с годами ему все труднее осваивать новое, зато усвоенные знания надежно закрепляются.

Этот процесс не является болезнью, с ним трудно и даже практически невозможно бороться. И это лишний аргумент в пользу того, как важно учиться в молодые годы, когда учеба дается легко. Но и для людей постарше имеются хорошие вести. Далеко не все свойства мозга с годами ослабевают. Словарный запас, количество абстрактных образов, способность рационально и здраво мыслить не утрачиваются и даже продолжают расти.

Там, где молодой неопытный разум запутается, перебирая различные варианты, мозг постарше быстрее найдет эффективное решение благодаря лучшей стратегии мышления. Кстати, чем образованнее человек, чем больше он тренирует свой мозг, тем меньше вероятность заболеваний мозга.

11. Мозгу нельзя сделать больно
Мозг лишен каких-либо чувствительных нервных окончаний, поэтому ему не бывает ни жарко, ни холодно, ни щекотно, ни больно. Это и понятно, если учесть, что он лучше любого другого органа защищен от воздействий внешней среды: добраться до него непросто. Мозг ежесекундно получает точную и разнообразную информацию о состоянии самых удаленных уголков своего тела, знает о любых потребностях, и наделен правом удовлетворить их или отложить на потом. Но себя мозг никак не ощущает: когда у нас болит голова - это лишь сигнал от болевых рецепторов мозговых оболочек.

12. Полезная пища для мозга
Как и все органы тела, мозг нуждается в источниках энергии и в строительных материалах. Иногда говорят, что мозг питается исключительно глюкозой. Действительно около 20% всей глюкозы потребляется именно мозгом, но он, как и любой другой орган, нуждается во всем комплексе питательных веществ. Целые белки никогда не проникают в мозг, перед этим они расщепляются на отдельные аминокислоты. То же касается и сложных липидов, которые перевариваются до жирных кислот, таких как омега-3 или омега-6. Некоторые витамины, например С, проникают в мозг самостоятельно, а такие как В6 или В12 переносятся проводниками.

Следует быть осторожными, употребляя продукты, богатые цинком, например, такие как устрицы, арахис, арбузные семечки. Существует гипотеза о том, что цинк накапливается в мозге и со временем может привести к развитию болезни Альцгеймера.

Мозг человека имеет одну удивительную особенность: он способен производить новые клетки. Бытует мнение, что запас мозговых клеток неограничен, но это утверждение далеко от истины. Естественно, их интенсивное продуцирование припадает на ранние периоды развития организма, с возрастом этот процесс замедляется, но не останавливается. Но это, к сожалению, компенсирует лишь незначительную часть клеток, неосознанно убитых человеком в результате, на первый взгляд, безобидных привычек.

1. Недосыпание

Ученым пока не удалось опровергнуть свою теорию полноценного сна, которая настаивает на 7-9-часовом сне. Именно такая длительность ночного процесса позволяет мозгу полноценно выполнять свою работу и продуктивно проходить все «сонные» фазы. В противном случае, как показали исследования, проведенные на грызунах, происходит гибель 25 % клеток головного мозга, которые отвечают за физиологическую реакцию на тревогу и напряжение. Ученые полагают, что подобный механизм гибели клеток в результате недосыпания работает и у человека, но это пока лишь предположения, проверить которые, по их мнению, удастся в скором будущем.

2. Курение

Болезни сердца, инсульт, хронический бронхит, эмфизема, рак – это не полный перечень негативных последствий, вызываемый пристрастием к сигарете. Исследования 2002 года, проведенные Национальным институтом Франции по вопросам здравоохранения и медицинских исследований, не оставили сомнений в том, что курение убивает клетки головного мозга. И хотя опыты проводились пока что на крысах, ученые полностью уверенны в том, что точно так же эта вредная привычка сказывается на мозговых клетках человека. Подтверждением тому стало исследование индийских ученых, в результате которого научным сотрудникам удалось отыскать в сигаретах опасное для человеческого организма соединение, называемое никотинопроизводным нитрозоаминовым кетоном. ННК ускоряет реакции белых кровяных клеток головного мозга, заставляя их атаковать здоровые мозговые клетки.

3. Обезвоживание

Не секрет, что в человеческом организме содержится много воды, и мозг – не исключение. Постоянное ее пополнение необходимо как организму в целом, так и мозгу в частности. В противном случае активируются процессы, нарушающие работу целых систем и убивающие клетки головного мозга. Как правило, чаще всего это происходит после приема алкоголя, который подавляет работу гормона вазопрессина, отвечающего за сохранение воды в организме. Помимо этого, обезвоживание может наступить вследствие длительного воздействия на организм высокой температуры (например, пребывание под открытыми солнечными лучами или в душном помещении). Но результат, как и в случае с горячительными напитками, может иметь плачевный исход – разрушение клеток головного мозга. Это влечет за собою сбои в работе нервной системы и влияет на интеллектуальные способности человека.

4. Стресс

Стресс считается достаточно полезной реакцией организма, которая активируется в результате появления какой-либо возможной угрозы. Главными защитниками выступают гормоны надпочечников (кортизол, адреналин и норэпинефрин), которые приводят организм в полную боевую готовность и обеспечивают тем самым его сохранность. Но чрезмерное количество этих гормонов (например, в ситуации хронического стресса), в частности кортизола, может стать причиной гибели клеток головного мозга и развития страшных заболеваний на почве ослабленного иммунитета. Разрушение мозговых клеток может повлечь за собою развитие психических заболеваний (шизофрении), а ослабленный иммунитет, как правило, сопровождается развитием тяжелых недугов, самыми распространенными среди которых считаются сердечно-сосудистые заболевания, рак и диабет.

5. Наркотики

Наркотики являют собою специфические химические вещества, разрушающие клетки головного мозга и нарушающие системы связей в нем. В результате действия наркотических веществ активируются рецепторы, вызывающие выработку аномальных сигналов, которые становятся причиной возникновения галлюциногенных проявлений. Происходит этот процесс благодаря сильному повышению уровня определенных гормонов, что двояко сказывается на организме. С одной стороны, большое количество, например, допамина способствует возникновению эффекта эйфории, но с другой – повреждает нейроны, ответственные за регуляцию настроения. Чем больше таких нейронов повреждено, тем сложнее достичь состояния «блаженства». Таким образом, организм требует все большую дозу наркотических веществ, развивая при этом зависимость.

Нервная ткань - основной структурный элемент нервной системы. В состав нервной ткани входят высокоспециализированные нервные клетки - нейроны , и клетки нейроглии , выполняющие опорную, секреторную и защитную функции.

Нейрон - это основная структурно-функциональная единица нервной ткани. Эти клетки способны принимать, обрабатывать, кодировать, передавать и хранить информацию, устанавливать контакты с другими клетками. Уникальными особенностями нейрона являются способность генерировать биоэлектрические разряды (импульсы) и передавать информацию по отросткам с одной клетки на другую с помощью специализированных окончаний - .

Выполнению функций нейрона способствует синтез в его аксоплазме веществ-передатчиков - нейромедиаторов: ацетилхолина, катехоламинов и др.

Число нейронов мозга приближается к 10 11 . На одном нейроне может быть до 10 000 синапсов. Если эти элементы считать ячейками хранения информации, то можно прийти к выводу, что нервная система может хранить 10 19 ед. информации, т.е. способна вместить практически все знания, накопленные человечеством. Поэтому вполне обоснованным является представление, что человеческий мозг в течение жизни запоминает все происходящее в организме и при его общении со средой. Однако мозг не может извлекать из всю информацию, которая в нем хранится.

Для различных структур мозга характерны определенные типы нейронной организации. Нейроны, регулирующие единую функцию, образуют так называемые группы, ансамбли, колонки, ядра.

Нейроны различаются по строению и функции.

По строению (в зависимости от количества отходящих от тела клетки отростков) различают униполярные (с одним отростком), биполярные (с двумя отростками) и мультиполярные (с множеством отростков) нейроны.

По функциональным свойствам выделяют афферентные (или центростремительные ) нейроны, несущие возбуждение от рецепторов в, эфферентные , двигательные , мотонейроны (или центробежные), передающие возбуждение из ЦНС к иннервируемому органу, и вставочные , контактные или промежуточные нейроны, соединяющие между собой афферентные и эфферентные нейроны.

Афферентные нейроны относятся к униполярным, их тела лежат в спинномозговых ганглиях. Отходящий от тела клетки отросток Т-образно делится на две ветви, одна из которых идет в ЦНС и выполняет функцию аксона, а другая подходит к рецепторам и представляет собой длинный дендрит.

Большинство эфферентных и вставочных нейронов относятся к мультиполярным (рис. 1). Мультиполярные вставочные нейроны в большом количестве располагаются в задних рогах , а также находятся и во всех других отделах ЦНС. Они могут быть и биполярными, например нейроны сетчатки, имеющие короткий ветвящийся дендрит и длинный аксон. Мотонейроны располагаются в основном в передних рогах спинного мозга.

Рис. 1. Строение нервной клетки:

1 - микротрубочки; 2 - длинный отросток нервной клетки (аксон); 3 - эндоплазматический ретикулум; 4 - ядро; 5 - нейроплазма; 6 - дендриты; 7 - митохондрии; 8 - ядрышко; 9 - миелиновая оболочка; 10 - перехват Ранвье; 11 - окончание аксона

Нейроглия

Нейроглия , или глия , - совокупность клеточных элементов нервной ткани, образованная специализированными клетками различной формы.

Она обнаружена Р. Вирховым и названа им нейроглией, что обозначает «нервный клей». Клетки нейроглии заполняют пространство между нейронами, составляя 40% от объема мозга. Глиальные клетки по размеру в 3-4 раза меньше нервных клеток; число их в ЦНС млекопитающих достигает 140 млрд. С возрастом у человека в мозге число нейронов уменьшается, а число глиальных клеток увеличивается.

Установлено, что нейроглия имеет отношение к обмену веществ в нервной ткани. Некоторые клетки нейроглии выделяют вещества, влияющие на состояние возбудимости нейронов. Отмечено, что при различных психических состояниях изменяется секреция этих клеток. С функциональным состоянием нейроглии связывают длительные следовые процессы в ЦНС.

Виды глиальных клеток

По характеру строения глиальных клеток и их расположению в ЦНС выделяют:

• астроциты (астроглия);
• олигодендроциты (олигодендроглия);
• микроглиальные клетки (микроглия);
• шванновские клетки.

Глиальные клетки выполняют опорную и защитную функции для нейронов. Они входят в структуру. Астроциты являются самыми многочисленными глиальными клетками, заполняющими пространства между нейронами и покрывающими. Они предотвращают распространение в ЦНС нейромедиаторов, диффундирующих из синаптической щели. В астроцитов имеются рецепторы к нейромедиаторам, активация которых может вызывать колебания мембранной разности потенциалов и изменения метаболизма астроцитов.

Астроциты плотно окружают капилляры кровеносных сосудов мозга, располагаясь между ними и нейронами. На этом основании предполагают, что астроциты играют важную роль в метаболизме нейронов, регулируя проницаемость капилляров для определенных веществ .

Одной из важных функций астроцитов является их способность поглотать избыток ионов К+, которые могут накапливаться в межклеточном пространстве при высокой нейронной активности. В областях плотного прилегания астроцитов формируются каналы щелевых контактов, через которые астроциты могут обмениваться различными ионами небольшого размера и, в частности, ионами К+ Это увеличивает возможности поглощения ими ионов К+ Неконтролируемое накопление ионов К+ в межнейронном пространстве приводило бы к повышению возбудимости нейронов. Тем самым астроциты, поглощая избыток ионов К+ из интерстициальной жидкости, предотвращают повышение возбудимости нейронов и формирование очагов повышенной нейронной активности. Появление таких очагов в мозге человека может сопровождаться тем, что их нейроны генерируют серии нервных импульсов, которые называют судорожными разрядами.

Астроциты принимают участие в удалении и разрушении нейромедиаторов, поступающих во внесинаптические пространства. Тем самым они предотвращают накопление в межнейрональных пространствах нейромедиаторов, которое могло бы привести к нарушению функций мозга.

Нейроны и астроциты разделены межклеточными щелями 15-20 мкм, называемыми интерстициальным пространством. Интерстициальные пространства занимают до 12-14% объема мозга. Важным свойством астроцитов является их способность поглощать из внеклеточной жидкости этих пространств СО2, и тем самым поддерживать стабильной рН мозга .

Астроциты участвуют в формировании поверхностей раздела между нервной тканью и сосудами мозга, нервной тканью и оболочками мозга в процессе роста и развития нервной ткани.

Олигодендроциты характеризуются наличием небольшого числа коротких отростков . Одной из их основных функций является формирование миелиновой оболочки нервных волокон в пределах ЦНС . Эти клетки располагаются также в непосредственной близости от тел нейронов, но функциональное значение этого факта неизвестно.

Клетки микроглии составляют 5-20% от общего количества глиальных клеток и рассеяны по всей ЦНС. Установлено, что антигены их поверхности идентичны антигенам моноцитов крови. Это свидетельствует об их происхождении из мезодермы, проникновении в нервную ткань во время эмбрионального развития и последующей трансформации в морфологически распознаваемые клетки микроглии. В связи с этим принято считать, что важнейшей функцией микроглии является защита мозга. Показано, что при повреждении нервной ткани в ней возрастает число фагоцитирующих клеток за счет макрофагов крови и активации фагоцитарных свойств микроглии. Они удаляют погибшие нейроны, глиальные клетки и их структрурные элементы, фагоцитируют инородные частицы.

Шванновские клетки формируют миелиновую оболочку периферических нервных волокон за пределами ЦНС. Мембрана этой клетки многократно обертывается вокруг, и толщина образующейся миелиновой оболочки может превысить диаметр нервного волокна. Длина миелинизированных участков нервного волокна составляет 1-3 мм. В промежутках между ними (перехваты Ранвье) нервное волокно остается покрытым только поверхностной мембраной, обладающей возбудимостью.

Одним из важнейших свойств миелина является его высокое сопротивление электрическому току. Оно обусловлено высоким содержанием в миелине сфингомиелина и других фосфолипидов, придающих ему токоизолирующие свойства. На участках нервного волокна, покрытых миелином, процесс генерации нервных импульсов невозможен. Нервные импульсы генерируются только на мембране перехватов Ранвье, что обеспечивает более высокую скорость проведения нервных импульсов но миелинизированным нервным волокнам в сравнении с немиелинизированными.

Известно, что структура миелина может легко нарушаться при инфекционных, ишемических, травматических, токсических повреждениях нервной системы. При этом развивается процесс демиелинизации нервных волокон. Особенно часто демиелинизация развивается при заболевании рассеянным склерозом . В результате демиелинизации скорость проведения нервных импульсов по нервным волокнам уменьшается, скорость доставки в мозг информации от рецепторов и от нейронов к исполнительным органам падает. Это может вести к нарушениям сенсорной чувствительности, нарушениям движений, регуляции работы внутренних органов и другим тяжелым последствиям.

Структура и функции нейронов

Нейрон (нервная клетка) является структурной и функциональной единицей.

Анатомическая структура и свойства нейрона обеспечивают выполнение его основных функций : осуществление метаболизма, получение энергии, восприятие различных сигналов и их обработка, формирование или участие в ответных реакциях, генерация и проведение нервных импульсов, объединение нейронов в нейронные цепи, обеспечивающие как простейшие рефлекторные реакции, так и высшие интегративные функции мозга.

Нейроны состоят из тела нервной клетки и отростков - аксона и дендритов.

Рис. 2. Строение нейрона

Тело нервной клетки

Тело (перикарион, сома) нейрона и его отростки на всем протяжении покрыты нейрональной мембраной. Мембрана тела клетки отличается от мембраны аксона и дендритов содержанием различных, рецепторов, наличием на ней.

В теле нейрона расположена нейроплазма и отграниченные от нее мембранами ядро, шероховатый и гладкий эндоплазматический ретикулум, аппарат Гольджи, митохондрии. В хромосомах ядра нейронов содержится набор генов, кодирующих синтез белков, необходимых для формирования структуры и осуществления функций тела нейрона, его отростков и синапсов. Это белки, выполняющие функции ферментов, переносчиков, ионных каналов, рецепторов и др. Некоторые белки выполняют функции, находясь в нейроплазме, другие - встраиваясь в мембраны органелл, сомы и отростков нейрона. Часть из них, например ферменты, необходимые для синтеза нейромедиаторов, путем аксонального транспорта доставляются в аксонную терминаль. В теле клетки синтезируются пептиды, необходимые для жизнедеятельности аксонов и дендритов (например, ростовые факторы). Поэтому при повреждении тела нейрона его отростки дегенерируют, разрушаются. Если же тело нейрона сохранено, а поврежден отросток, то происходит его медленное восстановление (регенерация) и восстановление иннервации денервированных мышц или органов.

Местом синтеза белков в телах нейронов является шероховатый эндоплазматический ретикулум (тигроидные гранулы или тела Ниссля) или свободные рибосомы. Содержание их в нейронах выше, чем в глиальных или других клетках организма. В гладком эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи белки приобретают свойственную им пространственную конформацию, сортируются и направляются в транспортные потоки к структурам тела клетки, дендритов или аксона.

В многочисленных митохондриях нейронов в результате процессов окислительного фосфорилирования образуется АТФ, энергия которой используется для поддержания жизнедеятельности нейрона, работы ионных насосов и поддержания асимметрии ионных концентраций но обе стороны мембраны. Следовательно, нейрон находится в постоянной готовности не только к восприятию различных сигналов, но и к ответной реакции на них - генерации нервных импульсов и их использованию для управления функциями других клеток.

В механизмах восприятия нейронами различных сигналов принимают участие молекулярные рецепторы мембраны тела клетки, сенсорные рецепторы, образованные дендритами, чувствительные клетки эпителиального происхождения. Сигналы от других нервных клеток могут поступать к нейрону через многочисленные синапсы, образованные на дендритах или на геле нейрона.

Дендриты нервной клетки

Дендриты нейрона формируют дендритное дерево, характер ветвления и размер которого зависят от числа синаптических контактов с другими нейронами (рис. 3). На дендритах нейрона имеются тысячи синапсов, образованных аксонами или дендритами других нейронов.

Рис. 3. Синаптические контакты интернейрона. Стрелками слева показано поступление афферентных сигналов к дендритам и телу интернейрона, справа - направление распространения эфферентных сигналов интернейрона к другим нейронам

Синапсы могут быть гетерогенными как по функции (тормозные, возбуждающие), так и по типу используемого нейромедиатора. Мембрана дендритов, участвующая в образовании синапсов, является их постсинаптической мембраной, в которой содержатся рецепторы (лигандзависимые ионные каналы) к нейромедиатору, используемому в данном синапсе.

Возбуждающие (глутаматергические) синапсы располагаются преимущественно на поверхности дендритов, где имеются возвышения, или выросты (1-2 мкм), получившие название шипиков. В мембране шипиков имеются каналы, проницаемость которых зависит от трансмембранной разности потенциалов. В цитоплазме дендритов в области шипиков обнаружены вторичные посредники внутриклеточной передачи сигналов, а также рибосомы, на которых синтезируется белок в ответ на поступление синаптических сигналов. Точная роль шипиков остается неизвестной, но очевидно, что они увеличивают площадь поверхности дендритного дерева для образования синапсов. Шипики являются также структурами нейрона для получения входных сигналов и их обработки. Дендриты и шипики обеспечивают передачу информации от периферии к телу нейрона. Мембрана дендритов в покос поляризована благодаря асимметричному распределению минеральных ионов, работе ионных насосов и наличию в ней ионных каналов. Эти свойства лежат в основе передачи по мембране информации в виде локальных круговых токов (электротонически), которые возникают между постсинаптическими мембранами и граничащими с ними участками мембраны дендрита.

Локальные токи при их распространении по мембране дендрита затухают, но оказываются достаточными по величине для передачи на мембрану тела нейрона сигналов, поступивших через синаптические входы к дендритам. В мембране дендритов пока не выявлено потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов. Она не обладает возбудимостью и способностью генерировать потенциалы действия. Однако известно, что по ней может распространяться потенциал действия, возникающий на мембране аксонного холмика. Механизм этого явления неизвестен.

Предполагается, что дендриты и шипики являются частью нейронных структур, участвующих в механизмах памяти. Количество шипиков особенно велико в дендритах нейронов коры мозжечка, базальных ганглиев, коры мозга. Площадь дендритного дерева и число синапсов уменьшаются в некоторых полях коры мозга пожилых людей.

Аксон нейрона

Аксон - отросток нервной клетки, не встречающийся в других клетках. В отличие от дендритов, число которых у нейрона различно, аксон у всех нейронов один. Его длина может достигать до 1,5 м. В месте выхода аксона из тела нейрона имеется утолщение - аксонный холмик, покрытый плазматической мембраной, которая вскоре покрывается миелином. Участок аксонного холмика, непокрытый миелином, называют начальным сегментом. Аксоны нейронов вплоть до своих конечных разветвлений покрыты миелиновой оболочкой, прерываемой перехватами Ранвье - микроскопическими безмиелиновыми участками (около 1 мкм).

На всем протяжении аксон (миелинизированного и немиелинизированного волокна) покрыт бислойной фосфолипидной мембраной со встроенными в нее белковыми молекулами, которые выполняют функции транспорта ионов, потенциалзависимых ионных каналов и др. Белки распределены равномерно в мембране немиелинизированного нервного волокна, а в мембране миелинизированного нервного волокна они располагаются преимущественно в области перехватов Ранвье. Поскольку в аксоплазме нет шероховатого ретикулума и рибосом, то очевидно, что эти белки синтезируются в теле нейрона и доставляются в мембрану аксона посредством аксонального транспорта.

Свойства мембраны, покрывающей тело и аксон нейрона , различны. Это различие касается прежде всего проницаемости мембраны для минеральных ионов и обусловлено содержанием различных типов. Если в мембране тела и дендритов нейрона превалирует содержание лигандзависимых ионных каналов (в том числе постсинаптических мембран), то в мембране аксона, особенно в области перехватов Ранвье, имеется высокая плотность потенциалзависимых натриевых и калиевых каналов.

Наименьшей величиной поляризации (около 30 мВ) обладает мембрана начального сегмента аксона. В более удаленных от тела клетки участках аксона величина трансмембранного потенциала составляет около 70 мВ. Низкая величина поляризации мембраны начального сегмента аксона обусловливает то, что в этой области мембрана нейрона обладает наибольшей возбудимостью. Именно сюда и распространяются по мембране тела нейрона с помощью локальных круговых электрических токов постсинаптические потенциалы, возникшие на мембране дендритов и тела клетки в результате преобразования в синапсах информационных сигналов, поступивших к нейрону. Если эти токи вызовут деполяризацию мембраны аксонного холмика до критического уровня (Е к), то нейрон ответит на поступление к нему сигналов от других нервных клеток генерацией своего потенциала действия (нервного импульса). Возникший нервный импульс далее проводится по аксону к другим нервным, мышечным или железистым клеткам.

На мембране начального сегмента аксона имеются шипики, на которых образуются ГАМК-ергические тормозные синапсы. Поступление сигналов по этим от других нейронов может предотвращать генерацию нервного импульса.

Классификация и виды нейронов

Классификация нейронов проводится как по морфологическим, так и по функциональным признакам.

По количеству отростков различают мультиполярные, биполярные и псевдоуниполярные нейроны.

По характеру связей с другими клетками и выполняемой функции различают сенсорные, вставочные и двигательные нейроны. Сенсорные нейроны называют также афферентными нейронами, а их отростки - центростремительными. Нейроны, выполняющие функцию передачи сигналов между нервными клетками, называют вставочными , или ассоциативными. Нейроны, аксоны которых образуют синапсы на эффекторных клетках (мышечных, железистых), относят к двигательным, или эфферентным , их аксоны называют центробежными.

Афферентные (чувствительные) нейроны воспринимают информацию сенсорными рецепторами, преобразуют ее в нервные импульсы и проводят к головного и спинного мозга. Тела чувствительных нейронов находятся в спинальных и черепно-мозговых. Это псевдоуниполярные нейроны, аксон и дендрит которых отходят от тела нейрона вместе и затем разделяются. Дендрит следует на периферию к органам и тканям в составе чувствительных или смешанных нервов, а аксон в составе задних корешков входит в дорсальные рога спинного мозга или в составе черепных нервов - в головной мозг.

Вставочные , или ассоциативные, нейроны выполняют функции переработки поступающей информации и, в частности, обеспечивают замыкание рефлекторных дуг . Тела этих нейронов располагаются в головного и спинного мозга.

Эфферентные нейроны также выполняют функцию переработки поступившей информации и передачи эфферентных нервных импульсов от головного и спинного мозга к клеткам исполнительных (эффекторных) органов.

Интегративная деятельность нейрона

Каждый нейрон получает огромное количество сигналов через многочисленные синапсы, расположенные на его дендритах и теле, а также через молекулярные рецепторы плазматических мембран, цитоплазмы и ядра. В передаче сигналов используется множество различных типов нейромедиаторов, нейромодуляторов и других сигнальных молекул. Очевидно, что для формирования ответной реакции на одновременное поступление множества сигналов, нейрон должен обладать способностью их интегрировать.

Совокупность процессов, обеспечивающих обработку поступающих сигналов и формирование на них ответной реакции нейрона, входит в понятие интегративной деятельности нейрона.

Восприятие и обработка сигналов, поступающих к нейрону, осуществляется при участии дендритов, тела клетки и аксонного холмика нейрона (рис. 4).

Рис. 4. Интеграция сигналов нейроном.

Одним из вариантов их обработки и интеграции (суммирования) является преобразование в синапсах и суммирование постсинаптических потенциалов на мембране тела и отростков нейрона. Воспринятые сигналы преобразуются в синапсах в колебание разности потенциалов постсинаптической мембраны (постсинаптические потенциалы). В зависимости от типа синапса полученный сигнал может быть преобразован в небольшое (0,5-1,0 мВ) деполяризующее изменение разности потенциалов (ВПСП - синапсы на схеме изображены в виде светлых кружков) либо гиперполяризующее (ТПСП - синапсы на схеме изображены в виде черных кружков). К разным точкам нейрона могут поступать одновременно множество сигналов, часть из которых трансформируется в ВПСП, а другие - в ТПСП.

Эти колебания разности потенциалов распространяются с помощью локальных круговых токов по мембране нейрона в направлении аксонного холмика в виде волн деполяризации (на схеме белого цвета) и гиперполяризации (на схеме черного цвета), накладывающихся друг на друга (на схеме участки серого цвета). При этом наложении амплитуды волны одного направления суммируются, а противоположных - уменьшаются (сглаживаются). Такое алгебраическое суммирование разности потенциалов на мембране получило название пространственного суммирования (рис. 4 и 5). Результатом этого суммирования может быть либо деполяризация мембраны аксонного холмика и генерация нервного импульса (случаи 1 и 2 на рис. 4), либо ее гиперполяризация и предотвращение возникновения нервного импульса (случаи 3 и 4 на рис. 4).

Для того чтобы сместить разность потенциалов мембраны аксонного холмика (около 30 мВ) до Е к, ее надо деполяризовать на 10-20 мВ. Это приведет к открытию имеющихся в ней потенциалзависимых натриевых каналов и генерации нервного импульса. Поскольку при поступлении одного ПД и его преобразовании в ВПСП деполяризация мембраны может достигать до 1 мВ, а се распространение к аксонному холмику идет с затуханием, то для генерации нервного импульса требуетсяодновременное поступление к нейрону через возбуждающие синапсы 40-80 нервных импульсов от других нейронов и суммирование такого же количества ВПСП.

Рис. 5. Пространственная и временная суммация ВПСП нейроном; а - BПСП на одиночный стимул; и - ВПСП на множественную стимуляцию от разных афферентов; в - ВПСП на частую стимуляцию через одиночное нервное волокно

Если в это время к нейрону поступит некоторое количество нервных импульсов через тормозные синапсы, то его активация и генерация ответного нервного импульса будет возможной при одновременном увеличении поступления сигналов через возбуждающие синапсы. В условиях, когда сигналы, поступающие через тормозные синапсы вызовут гиперполяризацию мембраны нейрона, равную или превышающую по величине деполяризацию, вызванную сигналами, поступающими через возбуждающие синапсы, деполяризация мембраны аксонного холмика будет невозможна, нейрон не будет генерировать нервные импульсы и станет неактивным.

Нейрон осуществляет также временное суммирование сигналов ВПСП и ТПСП, поступающих к нему почти одновременно (см. рис. 5). Вызываемые ими изменения разности потенциалов в околосинаптических областях также могут алгебраически суммироваться, что и получило название временного суммирования.

Таким образом, каждый генерируемый нейроном нервный импульс, равно как и период молчания нейрона, заключает информацию, поступившую от множества других нервных клеток. Обычно чем выше частота поступающих к нейрону сигналов от других клеток, тем с большей частотой он генерирует ответные нервные импульсы, посылаемые им по аксону к другим нервным или эффекторным клеткам.

В силу того что в мембране тела нейрона и даже его дендритов имеются (хотя и в небольшом числе) натриевые каналы, потенциал действия, возникший на мембране аксонного холмика, может распространяться на тело и некоторую часть дендритов нейрона. Значение этого явления недостаточно ясно, но предполагается, что распространяющийся потенциал действия на мгновение сглаживает все имевшиеся на мембране локальные токи, обнуляет потенциалы и способствует более эффективному восприятию нейроном новой информации.

В преобразовании и интеграции сигналов, поступающих к нейрону, принимают участие молекулярные рецепторы. При этом их стимуляция сигнальными молекулами может вести через инициированные (G-белками, вторыми посредниками) изменения состояния ионных каналов, трансформации воспринятых сигналов в колебание разности потенциалов мембраны нейрона, суммированию и формированию ответной реакции нейрона в виде генерации нервного импульса или его торможению.

Преобразование сигналов метаботропными молекулярными рецепторами нейрона сопровождается его ответом в виде запуска каскада внутриклеточных превращений. Ответной реакцией нейрона в этом случае может быть ускорение общего метаболизма, увеличение образования АТФ, без которых невозможно повышение его функциональной активности . С использованием этих механизмов нейрон интегрирует полученные сигналы для улучшения эффективности своей собственной деятельности.

Внутриклеточные превращения в нейроне, инициированные полученными сигналами, часто ведут к усилению синтеза белковых молекул, выполняющих в нейроне функции рецепторов, ионных каналов, переносчиков. Увеличивая их количество, нейрон приспосабливается к характеру поступающих сигналов, усиливая чувствительность к более значимым из них и ослабляя - к менее значимым.

Получение нейроном ряда сигналов может сопровождаться экспрессией или репрессией некоторых генов, например контролирующих синтез нейромодуляторов пептидной природы. Поскольку они доставляются в аксонные терминали нейрона и используются в них для усиления или ослабления действия его нейромедиаторов на другие нейроны, то нейрон в ответ на полученные им сигналы может в зависимости от получаемой информации оказывать более сильное или более слабое влияние на контролируемые им другие нервные клетки. С учетом того что модулирующее действие нейропептидов способно продолжаться в течение длительного времени, влияние нейрона на другие нервные клетки также может продолжаться долго.

Таким образом, благодаря способности интегрировать различные сигналы нейрон может тонко реагировать на них широким спектром ответных реакций, позволяющих эффективно приспосабливаться к характеру поступающих сигналов и использовать их для регуляции функций других клеток.

Нейронные цепи

Нейроны ЦНС взаимодействуют друг с другом, образуя в месте контакта разнообразные синапсы. Возникающие при этом нейронные пени многократно увеличивают функциональные возможности нервной системы. К наиболее распространенным нейронным цепям относят: локальные, иерархические, конвергентные и дивергентные нейронные цепи с одним входом (рис. 6).

Локальные нейронные цепи образуются двумя или большим числом нейронов. При этом один из нейронов (1) отдаст свою аксонную коллатераль нейрону (2), образуя на его теле аксосоматический синапс, а второй - образует аксоном синапс на теле первого нейрона. Локальные нейронные сети могут выполнять функцию ловушек, в которых нервные импульсы способны длительно циркулировать по кругу, образованному несколькими нейронами.

Возможность длительной циркуляции однажды возникшей волны возбуждения (нервного импульса) за счет передачи но кольцевой структуре, экспериментально показал профессор И.А. Ветохин в опытах на нервном кольце медузы.

Круговая циркуляция нервных импульсов по локальным нейронным цепям выполняет функцию трансформации ритма возбуждений, обеспечивает возможность длительного возбуждения после прекращения поступления к ним сигналов, участвует в механизмах запоминания поступающей информации.

Локальные цепи могут выполнять также тормозную функцию. Примером ее является возвратное торможение, которое реализуется в простейшей локальной нейронной цепи спинного мозга, образуемой а-мотонейроном и клеткой Реншоу.

Рис. 6. Простейшие нейронные цепи ЦНС. Описание в тексте

При этом возбуждение, возникшее в мотонейроне, распространяется по ответвлению аксона, активирует клетку Реншоу, которая тормозит а-мотонейрон.

Конвергентные цепи образуются несколькими нейронами, на один из которых (обычно эфферентный) сходятся или конвергируют аксоны ряда других клеток. Такие цепи широко распространены в ЦНС. Например, на пирамидные нейроны первичной моторной коры конвергируют аксоны многих нейронов чувствительных полей коры. На моторные нейроны вентральных рогов спинного мозга конвергируют аксоны тысяч чувствительных и вставочных нейронов различных уровней ЦНС. Конвергентные цепи играют важную роль в интеграции сигналов эфферентными нейронами и осуществлении координации физиологических процессов.

Дивергентные цепи с одним входом образуются нейроном с ветвящимся аксоном, каждая из ветвей которого образует синапс с другой нервной клеткой . Эти цепи выполняют функции одновременной передачи сигналов от одного нейрона на многие другие нейроны. Это достигается за счет сильного ветвления (образования нескольких тысяч веточек) аксона. Такие нейроны часто встречаются в ядрах ретикулярной формации ствола мозга. Они обеспечивают быстрое повышение возбудимости многочисленных отделов мозга и мобилизацию его функциональных резервов.

С моим видением того как работает мозг и каковы возможные пути создания искусственного интеллекта. За прошедшее с тех пор время удалось существенно продвинуться вперед. Что-то получилось глубже понять, что-то удалось смоделировать на компьютере. Что приятно, появились единомышленники, активно участвующие в работе над проектом.

В настоящем цикле статей планируется рассказать о той концепции интеллекта над которой мы сейчас работаем и продемонстрировать некоторые решения, являющиеся принципиально новыми в сфере моделирования работы мозга. Но чтобы повествование было понятным и последовательным оно будет содержать не только описание новых идей, но и рассказ о работе мозга вообще. Какие-то вещи, особенно в начале, возможно покажутся простыми и общеизвестными, но я бы советовал не пропускать их, так как они во многом определяют общую доказательность повествования.

Общее представление о мозге

Нервные клетки, они же нейроны, вместе со своими волокнами, передающими сигналы, образуют нервную систему. У позвоночных основная часть нейронов сосредоточена в полости черепа и позвоночном канале. Это называется центральной нервной системой. Соответственно, выделяют головной и спинной мозг как ее составляющие.

Спинной мозг собирает сигналы от большинства рецепторов тела и передает их в головной мозг. Через структуры таламуса они распределяются и проецируются на кору больших полушарий головного мозга.

Кроме больших полушарий обработкой информации занимается еще и мозжечок, который, по сути, является маленьким самостоятельным мозгом. Мозжечок обеспечивает точную моторику и координацию всех движений.

Зрение, слух и обоняние обеспечивают мозг потоком информации о внешнем мире. Каждая из составляющих этого потока, пройдя по своему тракту, также проецируется на кору. Кора – это слой серого вещества толщиной от 1.3 до 4.5 мм, составляющий наружную поверхность мозга. За счет извилин, образованных складками, кора упакована так, что занимает в три раза меньшую площадь, чем в расправленном виде. Общая площадь коры одного полушария – приблизительно 7000 кв.см.

В итоге все сигналы проецируются на кору. Проекция осуществляется пучками нервных волокон, которые распределяются по ограниченным областям коры. Участок, на который проецируется либо внешняя информация, либо информация с других участков мозга образует зону коры. В зависимости от того, какие сигналы на такую зону поступают, она имеет свою специализацию. Различают моторную зону коры, сенсорную зону, зоны Брока, Вернике, зрительные зоны, затылочную долю, всего около сотни различных зон.

В вертикальном направлении кору принято делить на шесть слоев. Эти слои не имеют четких границ и определяются по преобладанию того или иного типа клеток. В различных зонах коры эти слои могут быть выражены по-разному, сильнее или слабее. Но, в общем и целом, можно говорить о том, что кора достаточно универсальна, и предполагать, что функционирование разных ее зон подчиняется одним и тем же принципам.

Слои коры

По афферентным волокнам сигналы поступают в кору. Они попадают на III, IV уровень коры, где распределяются по близлежащим к тому месту, куда попало афферентное волокно, нейронам. Большая часть нейронов имеет аксонные связи в пределах своего участка коры. Но некоторые нейроны имеют аксоны, выходящие за ее пределы. По этим эфферентным волокнам сигналы идут либо за пределы мозга, например, к исполнительным органам, или проецируются на другие участки коры своего или другого полушария. В зависимости от направления передачи сигналов эфферентные волокна принято делить на:

• ассоциативные волокна, которые связывают отдельные участки коры одного полушария;
• комиссуральные волокна, которые соединяют кору двух полушарий;
• проекционные волокна, которые соединяют кору с ядрами низших отделов центральной нервной системы.

Если взять направление, перпендикулярное поверхности коры, то замечено, что нейроны, располагающиеся вдоль этого направления, реагируют на схожие стимулы. Такие вертикально расположенные группы нейронов, принято называть кортикальными колонками.

Можно представить себе кору головного мозга как большое полотно, раскроенное на отдельные зоны. Картина активности нейронов каждой из зон кодирует определенную информацию. Пучки нервных волокон, образованные аксонами, выходящими за пределы своей зоны коры, формируют систему проекционных связей. На каждую из зон проецируется определенная информация. Причем на одну зону может поступать одновременно несколько информационных потоков, которые могут приходить как с зон своего, так и противоположного полушария. Каждый поток информации похож на своеобразную картинку, нарисованную активностью аксонов нервного пучка. Функционирование отдельной зоны коры – это получение множества проекций, запоминание информации, ее переработка, формирование собственной картины активности и дальнейшая проекция информации, получившейся в результате работы этой зоны.

Существенный объем мозга – это белое вещество. Оно образовано аксонами нейронов, создающими те самые проекционные пути. На рисунке ниже белое вещество можно увидеть как светлое заполнение между корой и внутренними структурам мозга.

Распределение белого вещества на фронтальном срезе мозга

Используя диффузную спектральную МРТ, удалось отследить направление отдельных волокон и построить трехмерную модель связанности зон коры (проект Connectomics (Коннектом)).

Представление о структуре связей хорошо дают рисунки ниже (Van J. Wedeen, Douglas L. Rosene, Ruopeng Wang, Guangping Dai, Farzad Mortazavi, Patric Hagmann, Jon H. Kaas, Wen-Yih I. Tseng, 2012).

Вид со стороны левого полушария

Вид сзади

Вид справа

Кстати, на виде сзади отчетливо видна асимметрия проекционных путей левого и правого полушария. Эта асимметрия во многом и определяет различия в тех функциях, которые приобретают полушария по мере их обучения.

Нейрон

Основа мозга – нейрон. Естественно, что моделирование мозга с помощью нейронных сетей начинается с ответа на вопрос, каков принцип его работы.

В основе работы реального нейрона лежат химические процессы. В состоянии покоя между внутренней и внешней средой нейрона существует разность потенциалов – мембранный потенциал, составляющий около 75 милливольт. Он образуется за счет работы особых белковых молекул, работающих как натрий-калиевые насосы. Эти насосы за счет энергии нуклеотида АТФ гонят ионы калия внутрь, а ионы натрия - наружу клетки. Поскольку белок при этом действует как АТФ-аза, то есть фермент, гидролизующий АТФ, то он так и называется - «натрий-калиевая АТФ-аза». В результате нейрон превращается в заряженный конденсатор с отрицательным зарядом внутри и положительным снаружи.

Схема нейрона (Mariana Ruiz Villarreal)

Поверхность нейрона покрыта ветвящимися отростками – дендритами. К дендритам примыкают аксонные окончания других нейронов. Места их соединений называются синапсами. Посредством синаптического взаимодействия нейрон способен реагировать на поступающие сигналы и при определенных обстоятельствах генерировать собственный импульс, называемый спайком.

Передача сигнала в синапсах происходит за счет веществ, называемых нейромедиаторами. Когда нервный импульс по аксону поступает в синапс, он высвобождает из специальных пузырьков молекулы нейромедиатора, характерные для этого синапса. На мембране нейрона, получающего сигнал, есть белковые молекулы – рецепторы. Рецепторы взаимодействуют с нейромедиаторами.

Химический синапс

Рецепторы, расположенные в синаптической щели, являются ионотропными. Это название подчеркивает тот факт, что они же являются ионными каналами, способными перемещать ионы. Нейромедиаторы так воздействуют на рецепторы, что их ионные каналы открываются. Соответственно, мембрана либо деполяризуется, либо гиперполяризуется – в зависимости от того, какие каналы затронуты и, соответственно, какого типа этот синапс. В возбуждающих синапсах открываются каналы, пропускающие катионы внутрь клетки, - мембрана деполяризуется. В тормозных синапсах открываются каналы, проводящие анионы, что приводит к гиперполяризации мембраны.

В определенных обстоятельствах синапсы могут менять свою чувствительность, что называется синаптической пластичностью. Это приводит к тому, что синапсы одного нейрона приобретают различную между собой восприимчивость к внешним сигналам.

Одновременно на синапсы нейрона поступает множество сигналов. Тормозящие синапсы тянут потенциал мембраны в сторону накопления заряда внутри клети. Активирующие синапсы, наоборот, стараются разрядить нейрон (рисунок ниже).

Возбуждение (A) и торможение (B) ганглиозной клетки сетчатки (Николлс Дж., Мартин Р., Валлас Б., Фукс П., 2003)

Когда суммарная активность превышает порог инициации, возникает разряд, называемый потенциалом действия или спайком. Спайк – это резкая деполяризация мембраны нейрона, которая и порождает электрический импульс. Весь процесс генерации импульса длится порядка 1 миллисекунды. При этом ни продолжительность, ни амплитуда импульса не зависят от того, насколько были сильны вызвавшие его причины (рисунок ниже).

Регистрация потенциала действия ганглиозной клетки (Николлс Дж., Мартин Р., Валлас Б., Фукс П., 2003)

После спайка ионные насосы обеспечивают обратный захват нейромедиатора и расчистку синаптической щели. В течение рефрактерного периода, наступающего после спайка, нейрон не способен порождать новые импульсы. Продолжительность этого периода определяет максимальную частоту генерации, на которую способен нейрон.

Спайки, которые возникают как следствие активности на синапсах, называют вызванными. Частота следования вызванных спайков кодирует то, насколько хорошо поступающий сигнал соответствует настройке чувствительности синапсов нейрона. Когда поступающие сигналы приходятся именно на чувствительные синапсы, активирующие нейрон, и этому не мешают сигналы, приходящие на тормозные синапсы, то реакция нейрона максимальна. Образ, который описывается такими сигналами, называют характерным для нейрона стимулом.

Конечно, представление о работе нейронов не стоит излишне упрощать. Информация между некоторыми нейронами может передаваться не только спайками, но и за счет каналов, соединяющих их внутриклеточное содержимое и передающих электрический потенциал напрямую. Такое распространение называется градуальным, а само соединение называется электрическим синапсом. Дендриты в зависимости от расстояния до тела нейрона делятся на проксимальные (близкие) и дистальные (удаленные). Дистальные дендриты могут образовывать секции, работающие как полуавтономные элементы. Помимо синаптических путей возбуждения есть внесинаптические механизмы, вызывающие метаботропные спайки. Кроме вызванной активности существует еще и спонтанная активность. И наконец, нейроны мозга окружены глиальными клетками, которые также оказывают существенное влияние на протекающие процессы.

Долгий путь эволюции создал множество механизмов, которые используются мозгом в своей работе. Некоторые из них могут быть поняты сами по себе, смысл других становится ясен только при рассмотрении достаточно сложных взаимодействий. Поэтому не стоит воспринимать сделанное выше описание нейрона как исчерпывающее. Чтобы перейти к более глубоким моделям, нам необходимо сначала разобраться с «базовыми» свойствами нейронов.

В 1952 году Аланом Ллойдом Ходжкином и Эндрю Хаксли были сделаны описания электрических механизмов, которые определяют генерацию и передачу нервного сигнала в гигантском аксоне кальмара (Hodgkin, 1952). Что было оценено Нобелевской премией в области физиологии и медицины в 1963 году. Модель Ходжкина – Хаксли описывает поведение нейрона системой обыкновенных дифференциальных уравнений. Эти уравнения соответствуют автоволновому процессу в активной среде. Они учитывают множество компонент, каждая из которых имеет свой биофизический аналог в реальной клетке (рисунок ниже). Ионные насосы соответствуют источнику тока I p . Внутренний липидный слой клеточной мембраны образует конденсатор с емкостью C m . Ионные каналы синаптических рецепторов обеспечивают электрическую проводимость g n , которая зависит от подаваемых сигналов, меняющихся со временем t, и общей величины мембранного потенциала V. Ток утечки мембранных пор создает проводник g L . Движение ионов по ионным каналам происходит под действием электрохимических градиентов, которым соответствуют источники напряжения с электродвижущей силой E n и E L .

Основные компоненты модели Ходжкина - Хаксли

Естественно, что при создании нейронных сетей возникает желание упростить модель нейрона, оставив в ней только самые существенные свойства. Наиболее известная и популярная упрощенная модель – это искусственный нейрон Маккалока - Питтса, разработанный в начале 1940-х годов (Маккалох Дж., Питтс У., 1956).


Формальный нейрон Маккалока - Питтса

На входы такого нейрона подаются сигналы. Эти сигналы взвешенно суммируются. Далее к этой линейной комбинации применяется некая нелинейная функция активации, например, сигмоидальная. Часто как сигмоидальную используют логистическую функцию:


Логистическая функция

В этом случае активность формального нейрона записывается как

В итоге такой нейрон превращается в пороговый сумматор. При достаточно крутой пороговой функции сигнал выхода нейрона – либо 0, либо 1. Взвешенная сумма входного сигнала и весов нейрона – это свертка двух образов: образа входного сигнала и образа, описываемого весами нейрона. Результат свертки тем выше, чем точнее соответствие этих образов. То есть нейрон, по сути, определяет, насколько подаваемый сигнал похож на образ, записанный на его синапсах. Когда значение свертки превышает определенный уровень и пороговая функция переключается в единицу, это можно интерпретировать как решительное заявление нейрона о том, что он узнал предъявляемый образ.

Реальные нейроны действительно неким образом похожи на нейроны Маккалока - Питтса. Амплитуды их спайков не зависит от того, какие сигналы на синапсах их вызвали. Спайк, либо есть, либо его нет. Но реальные нейроны реагируют на стимул не единичным импульсом, а импульсной последовательностью. При этом частота импульсов тем выше, чем точнее узнан характерный для нейрона образ. Это означает, что если мы построим нейронную сеть из таких пороговых сумматоров, то она при статичном входном сигнале хотя и даст какой-то выходной результат, но этот результат будет далек от воспроизведения того, как работают реальные нейроны. Для того чтобы приблизить нейронную сеть к биологическому прототипу, нам понадобится моделировать работу в динамике, учитывая временные параметры и воспроизводя частотные свойства сигналов.

Но можно пойти и другим путем. Например, можно выделить обобщенную характеристику активности нейрона, которая соответствует частоте его импульсов, то есть количеству спайков за определенный промежуток времени. Если перейти к такому описанию, то можно представить нейрон как простой линейный сумматор.

Линейный сумматор

Сигналы выхода и, соответственно, входа для таких нейронов уже не являются дихатомичными (0 или 1), а выражаются некой скалярной величиной. Функция активации тогда записывается как

Линейный сумматор не стоит воспринимать как что-то принципиально иное по сравнению с импульсным нейроном, просто он позволяет при моделировании или описании перейти к более длинным временным интервалам. И хотя импульсное описание более корректно, переход к линейному сумматору во многих случаях оправдан сильным упрощением модели. Более того, некоторые важные свойства, которые трудно разглядеть в импульсном нейроне, вполне очевидны для линейного сумматора.