Очень важно понимать, насколько сложный механизм - человеческий мозг . Мозг человека весит всего примерно 1300 г, но в нем насчитывается около 100 миллиардов клеток. Трудно представить себе число такой величины (или такие микроскопические связи). Попробуем понять и представить, насколько сложен мозг, сравнив его с чем-либо, что создано самим человеком - например, с телефонной системой всей планеты . Даже если мы представим себе все телефоны мира и все провода (а население земли уже 7 миллиардов), число соединений и триллионы сообщений в день НЕ будут эквивалентны сложности или активности одного человеческого мозга. А теперь посмотрим на "маленькую проблему" - если сломаются все телефоны штата Мичиган и нарушатся все провода, сколько времени потребуется всему штату (где проживают около 15 млн человек) восстановить телефонную связь? Неделю, месяц, несколько лет? Если вы выбрали "лет", то вы близки к истине и примерно представляете всю сложность восстановления мозга после травмы . В примере со штатом Мичиган его жители окажутся без телефонной связи, в то время как во всем остальном мире телефонные службы будут работать нормально. То же самое происходит с человеком при травме головы. Некоторые части мозга будут продолжать нормально функционировать, в то время как другие будут нуждаться в восстановлении или "перезагрузке".
Электрический и химический механизм
Посмотрим на строительные кирпичики мозга. Как уже было сказано, мозг состоит из 100 миллиардов клеток. Большинство из этих клеток называются нейронами. Нейроны - это что-то вроде переключателей, ну, примерно, как всем хорошо известные домашние электрические выключатели. Они либо в состоянии покоя (выключены) или передают электрический импульс по проводам (включены). Нейрон имеет клеточное тело , длинный маленький провод-отросток (этот "провод" называется аксон), а самый кончик его может испускать химический сигнал. Этот химический импульс передается через узкую щель (синапс), где запускает передачу сигнала другим нейроном. Таким образом множество нейронов передают сигнал по проводам (аксонам). Между прочим, каждый из этих миллиардов аксонов генерирует небольшой электрический импульс, общая мощность этих импульсов по примерным подсчетам равняется мощности лампочки в 60 вт. Врачи установили, что измерения этой электрической активности могут быть показателями работы мозга. Устройство для измерения электрической активности мозга называется ЭЭГ (электроэнцефалограф).
Каждый из миллиарда нейронов "выплевывает" химическое вещество, запускающее соседние нейроны. У разных нейронов и химическое вещество разное. Эти вещества считаются "передатчиками" и называются адреналин, норадреналин, дофамин. Уж очень просто, да? Ну, не совсем. Даже в этой упрощенной модели все гораздо сложнее.
Наш мозг - один большой компьютер?
Наш мозг - большой телефонный коммутатор (из-за множества соединений и контактов) или это большой компьютер с режимами вкл/выкл (соответственно компьютерным ноликам и единичкам)? Ни то, ни другое.
Попробуем взглянуть на мозг, используя другую модель. Сравним его с оркестром. Оркестр состоит из разных музыкальных инструментов. Ударные инструменты, струнные, духовые и т.д. У каждого своя работа и в то же время, он должен гармонично звучать вместе с другими. А управляет ими всеми дирижер. По взмаху дирижерской палочки все члены оркестра вступают одновременно и на одной и той же ноте. Если ударник недостаточно репетировал, он испортит игру остальных. Бывают моменты, когда кажется, что общее звучание музыки, "выключено" или она исполняется плохо. Пожалуй, эта модель лучше поможет представить работу мозга. Мы привыкли к стереотипному сравнению мозга с одним компьютером, но на самом деле он как миллионы маленьких компьютеров, работающих слаженно вместе.
Как мозг получает и передает информацию
Как мозг получает информацию? Большая часть информации поступает через спинной мозг в основание головного. Представьте, что спинной мозг - это толстый телефонный кабель, связывающий тысячи линий. Если перерезать этот кабель, человек потеряет чувствительность тела и способность двигаться. Информация поступающая, ИСХОДЯЩАЯ из головного мозга дает команды частям тела (рукам и ногам). ВХОДЯЩЕЙ информации очень много и она бывает разная (жарко, холодно, боль , смешанные ощущения , и т.д.). Зрение и слух не проходят через спинной мозг, а поступают непосредственно в головной. Этим объясняется способность парализованного человека (лишенного возможности двигать руками и ногами) слышать и видеть.
Информация из спинного мозга поступает в центр головного. Она разветвляется, как дерево и проходит к поверхности мозга. Поверхность головного мозга серая, благодаря цвету клеток (поэтому ее часто называют серым веществом). Отростки нейронов или аксионы имеют белую поверхность (их называют белым веществом).
Два мозга - левое и правое полушария
У нас по два глаза , две руки и ноги , почему бы не иметь два мозга? Наш мозг разделен на две половины - правое и левое полушария. Работа, которую выполняет правое полушарие, отличается от работы левого. Правое полушарие занято визуальной деятельностью и играет важную роль в соединении вещей. Например, оно принимает визуальную информацию, соединяет и перерабатывает ее и говорит: "я это узнаю - это стул " или "это машина ", или "это дом ". Оно организует и группирует информацию. Левое полушарие больше является аналитической частью; оно анализирует информацию, собранную правым. Оно берет информацию из правого полушария и превращает ее в языковую форму. В то время, как правое полушарие "видит" дом, левое говорит: "А, я знаю, чей это дом, это дом дядюшки Боба ".
Что же происходит, если одна часть мозга повреждена? Люди , у которых травмирована правая часть мозга, "не соединяют вещи вместе" и не могут перерабатывать информацию. У них часто развивается "синдром отрицания", и они утверждают, что с ними "все в порядке". Приведем такой пример: у человека повреждено правое полушарие - задний его отдел, отвечающий за визуальную информацию - и он теряет частично зрение. Поскольку деятельность правого полушария нарушена, мозг не способен "собирать" информацию, и не понимает, что чего-то не хватает. В сущности, человек слеп на один глаз , но не сознает этого. И что самое страшное, он все еще управлял автомобилем и въехал на нем в офис врача. После ознакомления с результатами тестов, которые врач провел с ним , доктор спросил: "У вас много вмятин на левой стороне Вашего автомобиля?" Пациент был поражен, что каким-то таинственным способом врач знал об этом, не видя его автомобиль. Увы, пришлось убедить его не ездить до выздоровления . Но вы теперь наглядно видите, как правое полушарие обрабатывает и соединяет информацию.
Левое полушарие мозга отвечает за язык и анализ информации, поступающей в мозг. Если нарушено левое полушарие мозга, человек сознает, что что-то не в порядке (правое полушарие делает свою работу), но не в состоянии решать сложные задачи или справляться со сложной деятельностью. Люди с поврежденным левым полушарием более подвержены депрессии, у них возникают организационные проблемы и проблемы с речью.
Зрение - как мы видим
От глаз информация поступает в затылочный отдел мозга. Нам всем знакомо явление, когда при ударе по голове "звезды из глаз сыплются". Такое точно происходит (поверьте мне на слово, экспериментов в домашних условиях ставить не надо). При сильном ударе по затылку, эта часть мозга ударяется о череп , что стимулирует мозг и человек видит звезды или вспышки света. Помните про два полушария? Каждое полушарие обрабатывает половину визуальной информации. То, что мы видим слева, перерабатывает правое полушарие. Информация справа обрабатывается левым полушарием. Провода, по которым информация попадает в мозг "пересекаются" - визуальная информация слева идет в правое полушарие.
Движение
Область мозга, контролирующая движение, располагается в узкой полосе, проходящей от макушки головы прямо к тому месту, где находится ухо . Она называется моторная полоска. Если она повреждена, человек не может контролировать половину своего тела. При повреждении левого полушария перестанет работать правая часть тела. При повреждении правого полушария в этой области левая сторона тела прекращает работать (не забывайте, у нас две половины мозга). Вот почему одна часть лица может быть неподвижной, если человек перенес удар.
Язык и речь
95% людей на земле праворукие, это означает, что у них доминирует левое полушарие. У левшей доминирующее полушарие правое. У правшей способность понимать и язык и выражать мысли находится в левой височной доле. Если взять металлический электрод, зарядить его немного и поместить его у начала левой височной доли, то человек скажет: "эй, я слышу звук ". Если передвинуть электрод к более сложной части доли, то человек разберет произнесенное слово. Если продолжать двигать его к еще более сложной части, можно различить знакомый голос : "О, да это голос дядюшки Боба ". У нас есть простые зоны в лобной доле, которые отвечают за звуки и другие зоны, воспринимающие более сложную информацию на слух.
Правая височная доля тоже отвечает за слух. Однако, при этом ее задача перерабатывать музыкальную информацию и помогать идентифицировать шумы. Если эта область повреждена, человек не различает музыки и не может петь. Поскольку мы думаем и выражаем мысли посредством языка, функционирование левой височной доли изо дня в день нам важнее.
Имеется пограничная зона , где область слуха и область зрения взаимодействуют. Это та область, с помощью которой мы читаем. Мы берем визуальные образы и трансформируем их в звуки. Если этот отдел мозга поврежден или не был развит должным образом в детстве, у человека развивается дислексия. Люди с дислексией могут видеть буквы перевернутыми или не понимать значения написанных слов.
Чувствительность кожи
Если какая-нибудь муха сядет вам на левую руку, эта информация мгновенно будет передана в правый отдел мозга, в ту часть, что расположена рядом с отделом мозга, отвечающим за движение . Тактильная область мозга имеет дело с физическими ощущениями. Движения и ощущения тесно связаны, так что отделы мозга, за них отвечающие, не зря расположены рядом. Поскольку в нашем мозгу движение и ощущения рядом, то понятно, почему люди теряют способность движения и чувствительность в какой-либо части тела при повреждении этой области мозга. Запомните - тактильные ощущения левой стороны тела передаются в правую часть мозга, как и при движении и зрении.
Лобная доля - планирование, организация, контроль
Самый большой и наиболее развитый отдел головного мозга - лобная доля. (Она называется лобной , потому что располагается в передней части мозга.) Одна из задач лобной доли - планирование. Вы, возможно, слышали о "фронтальной лоботомии". В начале века такую операцию делали крайне агрессивным и жестоким людям или слишком возбудимым психическим больным. Хирургическим путем этот отдел мозга повреждали. После такой операции человек становился пассивным и не таким жестоким. Поначалу это воспринималось как великое научное достижение. Нейрохирургия оказалась способной решать такие поведенческие проблемы как насилие. Но вся беда была в том, что больные после операции прекращали делать и многое другое. Они больше не могли делать привычные повседневные дела и обслуживать себя. Они просто сидели безучастно. При травмах головы, ведущих к повреждению лобной доли мозга, человек теряет способность выполнять многоступенчатые задачи (например, ремонтировать машину, готовить еду). Он не может планировать действия.
Организация - это тоже задача лобной доли. Когда мы что-то делаем, мы сначала выполняем шаг А, затем шаг В, потом шаг С. Мы выполняем действия последовательно, по порядку. Такой организацией и занимается лобная доля мозга. При травме лобной доли эта способность к последовательности и организации нарушается. Типичный пример - когда люди во время приготовления еды пропускают какой-либо шаг в последовательности действий. Они забывают добавить важный ингредиент или выключить плиту. На их счету много сожженных кастрюль и сковородок.
Кроме всего сказанного, лобная доля играет важную роль в контроле эмоций. Секторы контроля эмоций лежат глубоко в центре мозга. Это первичные эмоции - голод , агрессия , сексуальное возбуждение. Эти отделы посылают сигналы "делай что-нибудь". Если ты взбешен, дай кому-нибудь по шее. Если голоден, съешь чего-нибудь. Лобная доля "управляет" эмоциями. Простыми словами, у нее есть функции НЕТ или СТОП. Если ваши эмоции подстегивают вас врезать своему начальнику, то именно лобная доля заботливо удерживает вас "СТОП или ты лишишься работы. Если кто-то говорит: "Я завожусь с пол-оборота и зверею ", это означает, что лобная доля не срабатывает, чтобы выключить эмоциональную систему.
С другой стороны, мы обсуждали выше, как лобная доля планирует деятельность. Но иногда некоторые типы эмоций оказываются сильнее и опережают мысль. Например, сексуальное влечение предполагает определенный уровень воображения, планирования и подготовки. Без этого интерес падает. А гнев , наоборот, опережает обдумывание действий. Иногда говорят: "Травма на него положительно повлияла, он теперь спокойнее ". Но если вдуматься, это означает "он больше не такой активный ". Запомните, лобная доля планирует наши действия и контролирует эмоции.
Доктор Глен Джонсон, клинический нейропсихолог
Человеческий мозг – самый сложный биологический механизм, регулирующий и координирующий все жизненные функции. Как устроен мозг и на сколько процентов он задействован. Каковы механизмы его работы и как мы можем помочь мозгу работать эффективнее.
Человеческий мозг называют самым сложным биологическим механизмом, который создала природа. Он регулирует и координирует все жизненные функции человека и контролирует его поведение.
С его работой связаны все мысли и чувства, желания и ощущения. Если мозг перестает функционировать, человек впадает в вегетативное состояние: утрачивает способность что-либо чувствовать, на что-либо реагировать и способность действовать, одним словом – .
Дать полный ответ, как устроен мозг и как он работает, невозможно. Загадки начинаются с вопроса, как он возник, и заканчиваются вопросами о его связях с невидимым тонким миром Вселенной, которые влияют на глубины человеческого подсознания. Его потенциал вряд ли будет когда-либо раскрыт полностью. Так сложилось, что этот совершенный механизм должен изучать себя сам.
Как устроен человеческий мозг?
Мозг взрослого человека в среднем составляет 1,5 кг – это всего лишь 2% от общего веса тела. (Однако доказано, что уровень ума и интеллекта не зависит от веса мозга.) Его собственные энергетические запасы очень малы, поэтому он очень зависит от снабжения кислородом. Мозг весь пронизан не одной сотней тысяч кровеносных сосудов – таким образом он поглощает 20% кислорода, получаемого легкими.
Если вдруг человеку по каким-то причинам приходится голодать, его мозг страдает в последнюю очередь, поскольку большая часть питательных веществ направляется на поддержание его работы. При потере массы тела на 50% мозг теряет всего 15% веса.
Эти факты говорят о том, что мозг в организме человека занимает привилегированное положение. Он внешнего мира его нежные ткани защищает черепная коробка, внутри же от сотрясений его оберегает спинномозговая жидкость.
Мозг покрыт тонким серым слоем с бороздками и извилинами – это кора головного мозга. Здесь находится его мыслительный центр. Кора представляет собой нервную ткань, состоящую из нескольких миллиардов нейронов, благодаря которым осуществляются прямые и обратные связи – информация от органов чувств поступает в кору, а после обработки отсылается обратно в виде команд для действия разных участков тела.
70% мозга составляют большие полушария – правое и левое. Они соединены мозолистым телом, благодаря которому могут обмениваться информацией. Правое и левое полушария симметричны и представляют собой как бы 2 мозга, каждый из которых руководит своими процессами, и в то же время они помогают друг другу.
Правое и левое полушарие состоят из лобной, теменной, затылочной и височной доли. В каждой из них находятся центры, отвечающие за определенную деятельность: височная – за слух, и речь; затылочная – за зрительные ощущения, лобная – за двигательную активность, теменная – за телесные ощущения. Под затылочными долями полушарий находится мозжечок, отвечающий за координацию движений и равновесие тела. А под корой головного мозга – таламус, контролирующий внимание и бодрствование, и гипоталамус, регулирующий процессы саморегуляции организма.
Это лишь самое поверхностное описание такого сложнейшего органа, как человеческий мозг. И если с точки зрения физиологии он изучен далеко не полностью, то о том, как происходят в нем мыслительные процессы, известно еще меньше. Людей волнует вопрос: является ли духовная жизнь человека, его мысли, чувства и эмоции следствием физических и химических процессов, происходящих в нем, или это что-то другое – еще не изученное и таинственное
Любопытно, что еще в 19 в. некий архимандрит Борис в своем сочинении «О невозможности чисто физиологического объяснения душевной жизни человека» утверждал, что несмотря на то, что жизнь души является результатом работы мозга, психические явления «имеют свое подлинное бытие вне головного мозга». Однако каким образом, «сие нам неизвестно». С ним соглашаются и люди науки, например физиолог из Англии Ч.Шеррингтон. Он считал, что мысль рождается за пределами материи, но поскольку она возникает в головах людей, они думают, что произвели ее сами.
На сколько процентов работает мозг человека
Ученные не однократно пытались оценить, на сколько работает мозг человека, и в результате их исследований, в прошлом веке, возникло множество ложных теорий. По одной из них считалось, что человек использует только 3% от его потенциала, в то время как другие утверждали, что 15-20 процентов.
Миф о 10% мозга
В 1936 году в предисловии к книге « » американский писатель Лоуэлл Томас написал «Профессор Уильям Джеймс говорит, что люди используют своих умственных способностей».
Нейробиолог Барри Гордон характеризует миф как «смехотворно ошибочный», добавляя: «мы используем практически все части мозга, и они активны практически постоянно». Барри Бейерштейн приводит аргументы, опровергающие миф о десяти процентах:
- Исследования повреждений мозга: если 90% мозга обычно не используется, повреждения этих частей не должно влиять на его работу. Практика же показывает, что почти не существует областей, которые могут быть повреждены без потери способностей. Даже небольшие повреждения могут приводить к огромным последствиям.
- Мозг обходится телу довольно дорого в плане потребления кислорода и питательных веществ. Он может требовать до 20% всей энергии тела, при этом составляя лишь 2% массы. Если бы 90% были не нужны, люди с меньшим, более эффективным мозгом имели бы эволюционное преимущество – остальным сложнее было бы проходить естественный отбор. Отсюда также очевидно, что такой большой мозг не мог бы даже появиться, если бы в нём не было потребности.
- Сканирование: технологии вроде позитронно-эмиссионной томографии и функциональной магнитно-резонансной томографии позволяют наблюдать работу живого мозга. Они показали, что даже во время сна в мозге имеется некая активность. «Глухие» зоны появляются лишь в случае сильных повреждений.
- Локализация функций: вместо того, чтобы быть единой массой, мозг делится на отделы, которые выполняют различные функции. На определение функций каждого отдела были потрачены многие годы, и отделений, не выполняющих никаких функций, обнаружено не было.
- Микроструктурный анализ: при регистрации деятельности отдельных нейронов учёные наблюдают за жизнедеятельностью отдельно взятой клетки. Если бы 90% мозга бездействовала, это сразу бы заметили.
- Нейронные заболевания: клетки мозга которые не используются, имеют тенденцию вырождаться. Следовательно, если 90% мозга были бы неактивны, то вскрытие мозга взрослого человека показало бы масштабное вырождение.
Другим аргументом является то, что большой размер мозга требует увеличения черепа, что повышает риск смерти при рождении. Такое давление обязательно избавило бы популяцию от лишнего мозга. Таким образом получается, что мы используем 100% мозга в целом, но для каждой задачи используется свой участок и намного меньше процентов.
Как начинается мыслительная деятельность?
Пытаются разобраться, как работает мозг человека с точки зрения происходящих в нем мыслительных процессов, и современные ученые. Ведь зная, как мозг думает, можно понять, как стимулировать его работу. Итак, чтобы мозг начал думать, в него должна поступить информация, то есть он должен иметь то, о чем думать. Таким образом, начать мыслить означает начать оперировать имеющейся информацией.
Как информация поступает в мозг?
1. Первоначальная информация является сенсорной – она воспринимается от органов чувств, и это то, что мы видим, слышим и ощущаем. Чем сильнее внимание будет сконцентрировано на сенсорных ощущениях, тем больше информации поступит в память. А внимание усиливается, когда человеку что-то интересно. Например, если он постоянно ходит на работу одной и той же дорогой, его мозг как бы уходит в спячку и задействован примерно на 5%. Если же он меняет маршрут, мозг «просыпается», чтобы воспринять новую информацию
2. Такой сенсорный вид информации хранится в памяти совсем недолго, ведь ее поступает довольно много. Мозг должен отделить более важную от менее важной, чтобы более важную переместить из краткосрочной памяти в долгосрочную. Для этого надо, чтобы разные свойства объекта объединились и сложились в образ. Например, чтобы запомнить имя нового знакомого или его телефон, необходимо услышанную и увиденную информацию связать с его внешностью, обстоятельствами встречи и пр.
4. Накопленный запас образов и понятий, наделенных личностным смыслом, позволяет осуществлять мыслительные операции, позволяющие проникать вглубь проблемы и решать определенные задачи.
5. Формой мышления является суждение (или высказывание) – мысль о предмете, в которой путем отрицания или утверждения раскрываются его признаки.
6. На основе суждений человек делает умозаключение. Например, увидев утром на улице лужи, он приходит к выводу, что ночью шел дождь.
Как помочь мозгу работать эффективнее?
1. Переработку всей информации: ее получение, проведение и передачу другим клеткам осуществляют нейроны, находящиеся в коре головного мозга. У новорожденного количество нейронов больше, чем у взрослого, но несмотря на это, он практически не умеет ни слышать, ни видеть.
Его глаза видят свет, но его мозг этого не понимает, потому что еще не образовались связи с другими нейронами, чтобы информация поступила дальше – в кору больших полушарий. По мере их образования ребенок будет различать сначала свет, затем силуэты, цвета и пр. Чем разнообразнее и ярче будут предметы вокруг него, тем быстрее образуются такие связи и тем лучше будет работать та часть мозга, которая связана со зрением.
Любопытно, что если по какой-то причине (например, из-за травмы или заболевания) ребенок не будет видеть во младенчестве, то в дальнейшем связи между нейронами в его мозге никогда не образуются и он так и не научится видеть. Его глаза будут здоровые, он будет видеть свет, но останется слепым, потому что нейронные связи, обеспечивающие поступление сигнала в мозг, могут образовываться почти всегда только в детстве.
Это же относится и к слуху и, в меньшей мере, к другим способностям: осязанию, обонянию, способности говорить, ориентироваться и др. То есть, очевидно, существует определенный период, когда образуются нейронные связи, необходимые для развития зрения, слуха и пр.
Таким образом, чтобы заставить мозг эффективно работать, его нужно тренировать с самого детства. Чем мозг моложе, тем он восприимчивей. И чем меньше его нагружать, тем хуже он будет работать. Мы все знаем, что если не тренировать мышцы, то они со временем станут дряблыми и начнут атрофироваться. То же касается и мозга: если его перестать нагружать, клетки, отвечающие за мыслительные процессы, начнут отмирать. У людей, которые тренируют свой мозг, ухудшение его работы отмечается лишь в глубокой старости.
2. Не стоит забывать и о питании – мозг нуждается в продуктах, содержащих жирные кислоты Омега-3 (это жирная морская рыба – лосось, семга, скумбрия, грецкие орехи) (см. « »). А вредны для него продукты, в состав которых входят трансжиры (маргарин, чипсы, крекеры, пирожные и т. п.).
Самая большая загадка для ученых - не безграничность космоса или образование Земли, а человеческий мозг. Его возможности превышают способности любого современного компьютера. Мышление, прогнозирование и планирование, эмоции и чувства, наконец, сознание — все эти присущие человеку процессы, так или иначе, протекают в пределах небольшого пространства черепной коробки. Работа человеческого мозга и ее изучение связаны гораздо сильнее, чем любые другие объекты и способы исследования. В данном случае они практически совпадают. Мозг человека изучается при помощи мозга человека. Возможность понять протекающие в голове процессы фактически зависит от способностей «мыслительной машины» познавать саму себя.
Структура
Сегодня довольно много известно о строении головного мозга. Он состоит из двух полушарий, напоминающих половинки грецкого ореха, покрытых тонкой серой оболочкой. Это кора больших полушарий. Каждая из половинок условно поделена на несколько долей. Самые древние в эволюционном плане отделы мозга, лимбическая система и ствол, находятся под мозолистым телом, соединяющим два полушария.
Человеческий мозг состоит из клеток нескольких разновидностей. Большая часть из них — это глиальные клетки. Они выполняют функцию соединения остальных элементов в единое целое, а также принимают участие в усилении и синхронизации электрической активности. Примерно десятая часть клеток мозга — это нейроны различных форм. Они передают и принимают электрические импульсы при помощи отростков: длинных аксонов, транслирующих информацию от тела нейрона дальше, и коротких дендритов, принимающих сигнал от других клеток. Соприкасающиеся аксоны и дендриты образуют синапсы, места передачи информации. Длинный отросток выделяет в полость синапса нейромедиатор, химическое вещество, влияющее на работу клетки, оно попадает на дендрит и приводит к торможению или возбуждению нейрона. Сигнал передается по всем связанным клеткам. В результате очень быстро возбуждается или тормозится работа большого числа нейронов.
Некоторые особенности развития
Человеческий мозг, как и любой другой орган тела, проходит определенные стадии своего формирования. Ребенок появляется на свет, так сказать, не в полной боевой готовности: процесс развития мозга на этом не завершается. Наиболее активные его отделы в этот период находятся в древних структурах, отвечающих за рефлексы и инстинкты. Кора функционирует хуже, поскольку состоит из большого числа незрелых нейронов. С возрастом человеческий головной мозг утрачивает часть из этих клеток, зато приобретает множество прочных и упорядоченных связей между оставшимися. Погибают «лишние» нейроны, не нашедшие себе места в образовавшихся структурах. На сколько работает человеческий мозг, по-видимому, зависит от качества связей, а не от количества клеток.
Распространенный миф
Понимание особенностей развития головного мозга помогает определить несоответствие реальности некоторых привычных представлений о работе этого органа. Бытует мнение, что человеческий мозг работает на процентов 90-95 меньше, чем может, то есть используется примерно его десятая часть, а остальная таинственно дремлет. Если перечитать вышеизложенное, становится понятно, что не использующиеся нейроны не могут долго существовать — они погибают. Скорее всего, подобная ошибка — результат бытовавших некоторое время назад представлений, что работают только те нейроны, которые передают импульс. Однако в единицу времени в подобном состоянии находится лишь некоторые клетки, связанные с необходимыми сейчас человеку действиями: движением, речью, мышлением. Спустя несколько минут или часов им на смену приходят другие, ранее «молчавшие».
Таким образом, в течение определенного времени в работе тела участвует весь мозг, сначала одними своими частями, затем другими. Одновременная активация всех нейронов, которая подразумевает столь желанную многими 100% работу мозга, может привести к своеобразному короткому замыканию: человек будет галлюцинировать, испытывать боль и все возможные ощущения, содрогаться всем телом.
Связи
Получается, нельзя говорить, что какая-то часть мозга не работает. Однако способности человеческого мозга используются, действительно, не полностью. Дело, правда, не в «спящих» нейронах, а в количестве и качестве связей между клетками. Любое повторяющееся действие, ощущение или мысль закрепляются на уровне нейронов. Чем больше повторений, тем прочнее связь. Соответственно, более полноценное использование мозга предполагает построение новых связей. На этом построено обучение. Детский мозг еще не имеет стойких связей, они формируются и закрепляются в процессе знакомства ребенка с миром. С возрастом внести изменения в сложившуюся структуру становится все сложнее, поэтому дети легче обучаются. Тем не менее, при желании развить способности человеческого мозга можно в любом возрасте.
Невероятно, но факт
Способность образовывать новые связи и переобучаться дает поразительные результаты. Известны случаи, когда она преодолевала все грани возможного. Человеческий мозг — структура нелинейная. Со всей определенностью в нем нельзя выделить зоны, которые выполняют одну конкретную функцию и никакую больше. Более того, при необходимости части головного мозга могут брать на себя «обязанности» травмированных зон.
Так произошло с Говардом Рокетом, в результате инсульта обреченным на инвалидное кресло. Он не пожелал сдаваться и с помощью ряда упражнений пытался разрабатывать парализованные руку и ногу. В результате каждодневного упорного труда через 12 лет он смог не только нормально ходить, но и танцевать. Его головной мозг очень медленно и постепенно перенастроился таким образом, чтобы непострадавшие его части смогли выполнять функции, необходимые для нормального движения.
Паранормальные способности
Пластичность головного мозга - не единственная его особенность, поражающая ученых. Нейробиологи не обходят своим вниманием и такие явления, как телепатия или ясновидение. В лабораториях ставятся эксперименты, призванные доказать или опровергнуть возможность таких способностей. Исследования американских и английских ученых дают интересные результаты, позволяющие предположить, что их существование - не миф. Однако окончательного решения нейробиологи пока не вынесли: для официальной науки по-прежнему есть определенные грани возможного, человеческий мозг через них переступить, как считается, не может.
Работа над собой
В детстве по мере отмирания не нашедших себе «места» нейронов исчезает способность помнить все и сразу. Так называемая эйдетическая память встречается у малышей достаточно часто, у взрослых — это крайне редкий феномен. Однако человеческий мозг представляет собой орган и, как любая другая часть тела, он поддается тренировке. А значит, можно и память улучшить, и интеллект подтянуть, и творческое мышление развить. Важно только помнить, что развитие человеческого мозга — дело не одного дня. Тренировки должны быть регулярными независимо от поставленных целей.
Непривычно
Новые связи образуются в тот момент, когда человек делает что-то не как обычно. Простейший пример: на работу можно добраться несколькими путями, но по привычке мы всегда выбираем один и тот же. Задача — выбирать каждый день новую дорогу. Это элементарное действие принесет плоды: мозг будет вынужден не только определять путь, но и регистрировать новые визуальные сигналы, идущие от неизвестных ранее улиц и домов.
В число подобных тренировок можно отнести и использование левой руки там, где привычна правая (и наоборот, для левшей). Писать, печатать, держать мышку так неудобно, зато, как показывают эксперименты, уже спустя месяц таких тренировок значительно усилится творческое мышление и фантазия.
Чтение
О пользе книг нам говорят с самого детства. И это не пустые слова: чтение способствует повышению активности мозга в противоположность просмотру телевизора. Книги помогают развиваться фантазии. Под стать им действуют кроссворды, ребусы, игры на логику, шахматы. Они стимулируют мышление, заставляют нас пользоваться теми возможностями головного мозга, которые обычно не востребованы.
Физические упражнения
На сколько работает человеческий мозг, на всю мощность или нет, зависит и от нагрузки на все тело. Доказано, что физические тренировки за счет обогащения крови кислородом положительно сказываются на активности мозга. Кроме того, удовольствие, которое получает тело в процессе регулярных упражнений, улучшает общее состояние и настроение.
Существует большое число способов повысить активность головного мозга. Среди них есть и специально разработанные, и крайне простые, к которым мы, сами того не зная, прибегаем каждый день. Главное — это последовательность и регулярность. Если сделать каждое упражнение по разу, существенного эффекта не последует. Ощущение дискомфорта, возникающее вначале - не повод бросать, а сигнал, что это упражнение заставляет мозг работать.
История компьютерных наук в целом сводится к тому, что учёные пытаются понять, как работает человеческий мозг, и воссоздать нечто аналогичное по своим возможностям. Как именно учёные его исследуют? Представим, что в XXI веке на Землю прилетают инопланетяне, никогда не видевшие привычных нам компьютеров, и пытаются исследовать устройство такого компьютера. Скорее всего, они начнут с измерения напряжений на проводниках, и обнаружат, что данные передаются в двоичном виде: точное значение напряжения не важно, важно только его наличие либо отсутствие. Затем, возможно, они поймут, что все электронные схемы составлены из одинаковых «логических вентилей», у которых есть вход и выход, и сигнал внутри схемы всегда передаётся в одном направлении. Если инопланетяне достаточно сообразительные, то они смогут разобраться, как работают комбинационные схемы - одних их достаточно, чтобы построить сравнительно сложные вычислительные устройства. Может быть, инопланетяне разгадают роль тактового сигнала и обратной связи; но вряд ли они смогут, изучая современный процессор, распознать в нём фон-неймановскую архитектуру с общей памятью, счётчиком команд, набором регистров и т.п. Дело в том, что по итогам сорока лет погони за производительностью в процессорах появилась целая иерархия «памятей» с хитроумными протоколами синхронизации между ними; несколько параллельных конвейеров, снабжённых предсказателями переходов, так что понятие «счётчика команд» фактически теряет смысл; с каждой командой связано собственное содержимое регистров, и т.д. Для реализации микропроцессора достаточно нескольких тысяч транзисторов; чтобы его производительность достигла привычного нам уровня, требуются сотни миллионов. Смысл этого примера в том, что для ответа на вопрос «как работает компьютер?» не нужно разбираться в работе сотен миллионов транзисторов: они лишь заслоняют собой простую идею, лежащую в основе архитектуры наших ЭВМ.
Моделирование нейронов
Кора человеческого мозга состоит из порядка ста миллиардов нейронов. Исторически сложилось так, что учёные, исследующие работу мозга, пытались охватить своей теорией всю эту колоссальную конструкцию. Строение мозга описано иерархически: кора состоит из долей, доли - из «гиперколонок» , те - из «миниколонок» … Миниколонка состоит из примерно сотни отдельных нейронов.По аналогии с устройством компьютера, абсолютное большинство этих нейронов нужны для скорости и эффективности работы, для устойчивости ко сбоям, и т.п.; но основные принципы устройства мозга так же невозможно обнаружить при помощи микроскопа, как невозможно обнаружить счётчик команд, рассматривая под микроскопом микропроцессор. Поэтому более плодотворный подход - попытаться понять устройство мозга на самом низком уровне, на уровне отдельных нейронов и их колонок; и затем, опираясь на их свойства - попытаться предположить, как мог бы работать мозг целиком. Примерно так пришельцы, поняв работу логических вентилей, могли бы со временем составить из них простейший процессор, - и убедиться, что он эквивалентен по своим способностям настоящим процессорам, даже хотя те намного сложнее и мощнее.
На рисунке, приведённом чуть выше, тело
нейрона (слева) - небольшое красное пятнышко в нижней части; всё остальное - дендриты
, «входы» нейрона, и один аксон
, «выход». Разноцветные точки вдоль дендритов - это синапсы
, которыми нейрон соединён с аксонами других нейронов. Работа нейронов описывается очень просто: когда на аксоне возникает «всплеск» напряжения выше порогового уровня (типичная длительность всплеска 1мс, уровень 100мВ), то синапс «пробивается», и всплеск напряжения переходит на дендрит. При этом всплеск «сглаживается»: вначале напряжение за 5..20мс растёт до порядка 1мВ, затем экспоненциально затухает; таким образом, длительность всплеска растягивается до ~50мс.
Если несколько синапсов одного нейрона активизируются с небольшим интервалом по времени, то «разглаженные всплески», возбуждаемые в нейроне каждым из них, складываются. Наконец, если одновременно активны достаточно много синапсов, то напряжение на нейроне поднимается выше порогового уровня, и его собственный аксон «пробивает» синапсы связанных с ним нейронов.
Чем мощнее были исходные всплески, тем быстрее растут разглаженные всплески, и тем меньше будет задержка до активизации следующих нейронов.
Кроме того, бывают «тормозящие нейроны», активация которых понижает общее напряжение на связанных с ним нейронах. Таких тормозящих нейронов 15..25% от общего числа.
У каждого нейрона тысячи синапсов; но в любой момент времени активны не больше десятой части всех синапсов. Время реакции нейрона - единицы мс; такого же порядка задержки на распространение сигнала вдоль дендрита, т.е. эти задержки оказывают существенное влияние на работу нейрона. Наконец, пару соседних нейронов, как правило, связывает не один синапс, а порядка десятка - каждый с собственным расстоянием до тел обоих нейронов, а значит, с собственной длительностью задержки. На иллюстрации справа два нейрона, изображённые красным и синим, связаны шестью синапсами.
У каждого синапса своё «сопротивление», понижающее входящий сигнал (в примере выше - со 100мВ до 1мВ). Это сопротивление динамически подстраивается: если синапс активизировался сразу перед активацией аксона - то, видимо, сигнал с этого синапса хорошо коррелирует с общим выводом, так что сопротивление понижается, и сигнал будет вносить больший вклад в напряжение на нейроне. Если же синапс активизировался сразу после активации аксона - то, видимо, сигнал с этого синапса не имел отношения к активации аксона, так что сопротивление синапса повышается. Если два нейрона связаны несколькими синапсами с разной длительностью задержки, то такая подстройка сопротивлений позволяет выбрать оптимальную задержку, или оптимальную комбинацию задержек: сигнал начинает доходить именно тогда, когда от него больше всего пользы.
Таким образом, модель нейрона, принятая исследователями нейронных сетей - с единственной связью между парой нейронов и с мгновенным распространением сигнала от одного нейрона к другому - весьма далека от биологической картины. Кроме того, традиционные нейронные сети оперируют не временем отдельных всплесков, а их частотой : чем чаще всплески на входах нейрона, тем чаще будут всплески на выходе. Те детали устройства нейрона, которые отброшены в традиционной модели - существенны или несущественны они для описания работы мозга? Нейробиологи накопили огромную массу наблюдений об устройстве и поведении нейронов - но какие из этих наблюдений проливают свет на общую картину, а какие - лишь «детали реализации», и - как и предсказатель переходов в процессоре - не влияют ни на что, кроме эффективности работы? Джеймс считает, что именно временны́е характеристики взаимодействия между нейронами и позволяют приблизиться к пониманию вопроса; что асинхронность так же важна для работы мозга, как синхронность - для работы ЭВМ.
Ещё одна «деталь реализации» - ненадёжность нейрона: с некоторой вероятностью он может активизироваться спонтанно, даже если сумма напряжений на его дендритах не достигает порогового уровня. Благодаря этому, «обучение» колонки нейронов можно начинать с любого достаточно большого сопротивления на всех синапсах: вначале никакая комбинация активаций синапсов не будет приводить к активации аксона; затем спонтанные всплески приведут к тому, что понизится сопротивление синапсов, которые активизировались незадолго до этих спонтанных всплесков. Таким образом нейрон начнёт распознавать конкретные «паттерны» входных всплесков. Что самое важное, паттерны, похожие на те, на которых нейрон обучался, - тоже будут распознаваться, но всплеск на аксоне будет тем слабее и/или позднее, чем меньше нейрон «уверен» в результате. Обучение колонки нейронов получается намного эффективнее, чем обучение обычной нейронной сети: колонке нейронов не нужен контрольный ответ для тех образцов, на которых она обучается - фактически, она не распознаёт , а классифицирует входные паттерны. Кроме того, обучение колонки нейронов локализовано - изменение сопротивления синапса зависит от поведения лишь двух соединённых им нейронов, и никаких других. В результате этого, обучение приводит к изменению сопротивлений вдоль пути следования сигнала, тогда как при обучении нейронной сети веса изменяются в обратном направлении: от нейронов, ближайших к выходу - к нейронам, ближайшим ко входу.
Например, вот колонка нейронов, обученная распознавать паттерн всплесков (8,6,1,6,3,2,5) - значения обозначают время всплеска на каждом из входов. В результате обучения, задержки настроились на точное соответствие распознаваемому паттерну, так что напряжение на аксоне, вызываемое правильным паттерном, получается максимально возможным (7):
Та же самая колонка отреагирует на похожий входной паттерн (8,5,2,6,3,3,4) меньшим всплеском (6), причём напряжение достигает порогового уровня заметно позднее:
Наконец, тормозящие нейроны могут использоваться для реализации «обратной связи»: например, как на иллюстрации справа, - подавлять повторные всплески на выходе, когда вход длительное время остаётся активным; или подавлять всплеск на выходе, если он слишком задерживается по сравнению со входными сигналами, - чтобы сделать классификатор более «категоричным»; или, в нейросхеме для распознавания паттернов, разные колонки-классификаторы могут быть связаны тормозящими нейронами, чтобы активация одного классификатора автоматически подавляла все остальные классификаторы.
Распознавание изображений
Для распознавания рукописных цифер из базы MNIST (28x28 пикселей в оттенках серого) Джеймс из колонок-классификаторов, описанных выше, собрал аналог пятислойной «свёрточной нейросети» . Каждая из 64 колонок в первом слое обрабатывает фрагмент 5х5 пикселей из исходного изображения; такие фрагменты перекрываются. Колонки второго слоя обрабатывают по четыре выхода из первого слоя каждая, что соответствует фрагменту 8х8 пикселей из исходного изображения. В третьем слое всего четыре колонки - каждой соответствует фрагмент из 16х16 пикселей. Четвёртый слой - итоговый классификатор - разбивает все изображения на 16 классов: класс назначается в соответствии с тем, который из нейронов активизируется первым. Наконец, пятый слой - классический перцептрон, соотносящий 16 классов с 10 контрольными ответами.
Классические нейросети достигают на базе MNIST точности 99.5% и даже выше; но по утверждению Джеймса, его «гиперколонка» обучается за гораздо меньшее число итераций, благодаря тому, что изменения распространяются вдоль пути следования сигнала, а значит, затрагивают меньшее число нейронов. Как и для классической нейросети, разработчик «гиперколонки» определяет только конфигурацию соединений между нейронами, а все количественные характеристики гиперколонки - т.е. сопротивление синапсов с разными задержками - приобретаются автоматически в процессе обучения. Кроме того, для работы гиперколонки требуется на порядок меньшее число нейронов, чем для аналогичной по возможностям нейросети. С другой стороны, симуляция таких «аналоговых нейросхем» на электронном компьютере несколько затрудняется тем, что в отличие от цифровых схем, работающих с дискретными сигналами и с дискретными интервалами времени - для работы нейросхем важны непрерывность изменения напряжений и асинхронность нейронов. Джеймс утверждает, что шага симуляции в 0.1мс достаточно для корректной работы его распознавателя; но он не уточнял, сколько «реального времени» занимает обучение и работа классической нейросети, и сколько - обучение и работа его симулятора. Сам он давно на пенсии, и свободное время он посвящает совершенствованию своих аналоговых нейросхем.
Мозг – самая сложная система человеческого организма, которая управляет всей его деятельностью.
При помощи этой системы контролируются не только осознанные процессы: речь, движение, эмоции. Мозг также регулирует все процессы, которые происходят в организме автоматически: движение, кровообращение, поддержание равновесия и многие другие.
Ученые до сих пор спорят о том, как работает мозг человека. Однако кое-что им уже хорошо известно.
Электрохимическая машина
Человеческий мозг весит всего полтора килограмма, в которые «помещаются» около 100 млрд клеток. Большинство из них – нейроны .
Принцип работы этих клеток примерно такой же, как у обычного электрического выключателя. У нейронов есть состояние покоя (выключено) и активное состояние (включено), при котором электрический импульс передается дальше по «проводу».
Каждый нейрон состоит из тела клетки, «провода» – аксона , на котором есть своеобразный «контакт» – синапс . Посредством него нейрон соединяется с другим нейроном.
Для этого в нейронах производятся особые химические вещества – нейромедиаторы . К ним относятся, например, адреналин, дофамин и другие. Различные нейроны используют и разные химические вещества. Выброс нейромедиаторов для вызова других нейронов происходит в синапсе.
Кстати, все нервные клетки способны генерировать электрический разряд, общая мощность которого может достигать 60 ватт .
Электрическая активность головного мозга – это один из важных показателей его работы. Ее можно измерить при помощи специального устройства – электроэнцефалографа (ЭЭГ).
Как в мозг поступает информация?
Все информация от тела поступает в головной мозг через спинной мозг . Он напоминает собой толстый телефонный кабель с большим количеством жил внутри.
Если спинной мозг поврежден – человек не может двигаться или чувствовать, что происходит с его телом. Также через спинной мозг отдаются команды телу.
А вот информация от глаз и ушей идет непосредственно в головной мозг , минуя спинной. Именно поэтому полностью парализованные люди могут без проблем видеть и слышать.
Информация из спинного мозга обрабатывается в сером веществе , находящемся на поверхности полушарий мозга. Белым веществом называется «проводящая система», которая состоит из аксонов.
Какие процессы контролируют разные полушария?
Значительная часть мозга относится к двум полушариям – правому и левому. Они выполняют разные функции.
Правое полушарие отвечает за группировку информации, левое – за ее анализ. Например, правое полушарие «видит» машину и признает, что это действительно машина. А левое – «определяет», что это не просто машина, а машина соседа.
Распространено мнение, что правое полушарие отвечает за восприятие абстрактных вещей (цвет и форма), а левое – за математические способности, логику и речь. Исследователи находят все новые и новые доказательства такой дифференциации.
Пока же совершенно точно ученые могут сказать только то, что правое полушарие управляет левой половиной тела, а левое – правой.
Самое важное
Мозг – это сложная структура, состоящая из миллиардов нейронов. Каждый из них работает по принципу маленького электрического выключателя, передавая нервные импульсы.
Вся информация, которую организм получает при помощи такой «электропроводки» из внешнего мира попадает в большие полушария мозга, где и обрабатывается.