Мы продолжаем четвёртую тему в рамках изучения основ Искусственного Интеллекта. На прошлом занятии мы кратко изучили основы физиологии нейронов в нервной системе и узнали, что модели искусственных нейронов не совсем точно описывают естественные нервные клетки. Ну а сегодня я предлагаю столь же кратко посмотреть на нервную систему человека и её устройство в целом. Погнали.
Вся нервная система состоит из нейронов и вспомогательных клеток, называемых нейроглией, то есть как бы клеем. Самые интересные клетки нейроглии называются астроцитами, и они служат как бы каркасом для удержания нейронов в сети. Итого вся нервная система — это одна гигантская нейронная сеть, состоящая из сотен миллиардов нейронов и триллионов астроцитов и других клеток нейроглии.
На наиболее общем уровне нервная система человека состоит из центральной нервной системы и автономной нервной системы. Автономная нервная система управляет деятельностью всех внутренних органов человека, и это управление основано на рефлекторных дугах, затрагивающих две части автономной нервной системы. Это симпатическая и парасимпатическая нервные системы. Они используются для возбуждения и торможения тканей и органов, причём каждая действует на различные ткани по-разному.
Идём дальше. Центральная нервная система также разделяется на две части — это спинной мозг и головной мозг. Спинной мозг является местом, где принимаются мгновенные рефлекторные решения о том, что надо сделать телу, чтобы избежать плохих последствий. Тут располагается большое количество разных рефлекторных дуг. Самая известная — это отдёргивание руки от обжигающего или острого предмета. Рефлекс срабатывает практически мгновенно, и только потом сигнал доходит до головного мозга и сознания. Так что спинной мозг — это ещё и канал обмена информацией с головным мозгом.
Головной мозг является самым сложным объектом из известных нам во всей Вселенной. Более того, он ещё до конца не изучен, и тут больше белых пятен, чем где бы то ни было ещё. Тем не менее, его тоже разделяют на больше количество компонентов, для каждого из которых выделены свойства и функции. Их мы сейчас и рассмотрим.
Головной мозг традиционно разделяется на пять отделов, и это деление связано во-первых, с эмбриогенезом, то есть как эти отделы появляются в процессе роста эмбриона. А во-вторых — с эволюцией, поскольку каждый из отделов имеет свои соответствия у всех древних предков человека от рептилий до высших млекопитающих. Итого отделы: продолговатый мозг, задний мозг, средний мозг, промежуточный мозг и передний мозг. Рассмотрим каждый из этих мозгов.
Продолговатый мозг является самым старым с точки зрения эволюции. И немудрено, что он отвечает за самые базовые функции — это кровообращение, дыхание, частично половое поведение и частично сон. Также тут имеется так называемая ретикулярная формация, которая перекоммутирует сигналы от большинство сенсорных рецепторов. Все эти функции есть у рептилий, так что иногда эту часть мозга называют «мозгом рептилии».
К слову, из-за нахождения здесь центров дыхания и кровообращения, которые должны действовать автономно и не подчиняться сознанию, повреждение продолговатого мозга практически сразу ведёт к смерти, а вот повреждение более высших отделов головного мозга может не повлечь смерть, но приведёт к коме или вегетативному состоянию, когда высшие отдела мозга технически мертвы, но продолговатый мозг работает, а потому тело продолжает дышать.
Задний мозг состоит из моста и мозжечка. Мост фактически представляет собой набор нервных путей от высших отделов головного мозга к спинному. Здесь также есть ретикулярная формация, а также несколько специализированных ядер. Ядра — это скопления нейронов, то есть как бы такие «маленькие мозги», решающие вполне специфические функции.
Мозжечок — это тоже такой маленький мозг, в котором, кстати, находится больше всего нервных клеток среди всех органов центральной нервной системы. Мозжечок отвечает за автоматизацию движений. То есть когда мы учимся выполнять какие-то движения, то сначала формируется осознанная программа пошаговой активации мышц, а потом по мере тренировок эта программа спускается в мозжечок, и там она выполняется уже автоматически и бессознательно.
Далее, средний мозг. Этот отдел состоит из намного большего числа элементов и потому выполняет большое количество функций. К ним, в частности, относятся: зрение, слух, контроль движений, регуляция циклов сна и бодрствования, регуляция общего уровня возбуждения центральной нервной системы, регуляция концентрации внимания, ориентировочные, защитные и оборонительные рефлексы, регуляция болевой чувствительности, репродуктивного поведения, температуры тела. Как видно, это в основном бессознательные реакции и регуляции, так что средний мозг — это тоже довольно древнее образование.
Очень интересным отделом является промежуточный мозг. Он называется так потому, что находится между полушариями, то есть промежду ними. Промежуточный мозг состоит из таламуса с несколькими дополнительными структурами и гипоталамо-гипофизарного органа.
Таламус — очень важная часть центральной нервной системы. Фактически, таламус, состоящий из огромного числа ядер, выполняет роль этакого коммутатора, который перераспределяет информационные потоки от сенсорных органов к местам её обработки. Именно поэтому таламус выступает, например, фильтром — он отфильтровывает неважные сенсорные сигналы от внимания сознания. Ведь в каждый момент организм человека испытывает постоянное воздействие огромного количества стимулов, как внутренних, так и внешних. И вот таламус пропускает до сознания только то, что действительно важно. То, что должно пройти до сознания, чтобы использоваться в принятии решений. Это как будто бы секретарь при лице, принимающем решения.
Гипоталамус — это орган нейроэндокринной регуляции деятельности организма. Именно здесь происходит контроль за гомеостазом большинства переменных, которые необходимо держать в установленном интервале допустимых значений. Например, температура тела. Она должна быть определённой, и гипоталамус отвечает за удержание температуры тела в нужном интервале. Для этого используются различные гормоны, которые посылаются к гипофизу, а гипофиз уже рассылает гормональные сигналы к железам и другим органам тела. Только про гипоталамо-гипофизарную ось можно делать отдельный курс, так что закончим с ней и продолжим с головным мозгом.
Наконец, переходим к переднему мозгу. Он состоит из базальных ядер, обонятельного мозга, полосатого тела, мозолистого тела и больших полушарий. Базальные ядра, обонятельный мозг и полосатое тело составляют так называемую лимбическую систему, которая отвечает за эмоции. Ну и кроме всего прочего в составе лимбической системы есть гиппокамп, который отвечает за внимание, кратковременную память и ориентирование в пространстве.
Мозолистое тело — это всего лишь объединение всех соединительных путей между правым и левым полушариями. Это важная часть, так как многочисленные эксперименты с разрезанием мозолистого тела показывают, что при отсутствии синхронизации между полушариями в голове у человека начинают жить две независимые личности, одна из которых, впрочем, безмолвна.
И, наконец, полушария. У нас два полушария — левое и правое, каждое из которых частично дублирует функции другого, но есть и специфичные функции. Вся кора полушарий имеет примерно одинаковую структуру и состоит из трёхсот миллионов так называемых кортикальных колонок.
Кортикальная колонка — это шестислойная обособленная структура, состоящая примерно из сотни нейронов, связанных друг с другом довольно плотным образом. Сами колонки связаны уже друг с другом, но вот эта структура коры головного мозга видна очень явно — колонки отделены друг от друга, и нейроны внутри них связаны друг с другом плотнее, чем с нейронами других колонок.
Имеется понимание, что каждая колонка — это отдельная нейронная сеть, распознающая какой-либо один или группу родственных символов. Связи между колонками представляют собой ассоциативные связи между символами. И активация конкретной колонки ведёт к тому, что в голове зарождается мысль с участием соответствующего символа.
Кора головного мозга поделена на огромное количество зон, каждая из которых имеет определённые и часто специфические функции. Например, широко известны зоны Вернике и Брока, которые отвечают за речь. Зона Брока находится в левом полушарии, и при поражении этой зоны человек не может связно говорить. Зона Вернике используется для усвоения письменной и устной речи, а потому при её поражении человек может говорить, но его речь лишена смысла.
В общем, говорить про головной мозг можно часами и днями. Это действительно неисчерпаемая тема. Но проблема у нас одна — даже если разложить мозг на отдельные нейроны и построить полный коннектом, мы не узнаем, как зарождается и где находится сознание. Это реальная проблема, и она даже получила отдельное название — «сложная проблема сознания».
На этом я спешу закончить. Продолжайте самостоятельное изучение строения мозга и его функций. Это очень интересно и познавательно. Ну а с вами был Роман Душкин, и мы готовимся к переходу к пятой теме курса, в которой мы изучим методы Искусственного Интеллекта. Оставайтесь с нами.