В чем заключается работа мозга

Опубликовано: 17.09.2024

Наш мозг — самый сложный, неизученный орган, который управляет всем организмом. Ученые не перестают изучать его строение, и сегодня мы рассмотрим основные функции различных мозговых структур.

Структура

Самое обобщенное деление структур мозга производится на 3 части: большие полушария головного мозга + мозжечок + ствол. Поскольку все структуры взаимодействуют между собой, то нельзя обойти стороной такое «деление» на 5 отделов:

Конечный, в который входит оба полушария
Задний, к которому относится мозжечок
Средний, расположенный между мостом и мозжечком
Промежуточный, находящийся выше среднего
Продолговатый, который является непосредственно продолжением спинного

Понятие конечного мозга объединяет оба полушария, при этом его также принято разделять на 4 доли — лобную, височную, теменную, затылочную.

Слаженная работа всех отделов направлена на работу высших психических функций — восприятия, внимания, памяти, мышления. Наша нервная система получает сигналы от органов чувств, а мозг обрабатывает их — слух, зрение, вкус, запах, чувство равновесия. Также он контролирует все жизненно важные процессы — дыхание, сердцебиение, метаболизм. Рассмотрим подробнее, где же происходит это волшебство.

Конечный мозг

Ниже приведены основные функции долей больших полушарий:

Лобная отвечает за речь и координацию движений. В ее функцию входит непосредственно мышление и логика как процесс, контроль поведения. Здесь же расположены центры Брока и Вернике: первый отвечает за речь, второй — за понимание речи, письменной или устной.
Теменная обрабатывает информацию от органов чувств при помощи сенсорного центра, а затем формируют нашу ответную реакцию. Именно там возникают наши ощущения, особенно — ощущение собственного тела, а также терморегуляция. Кроме того, она ответственна за овладение навыками, регулирует способность выполнять сложные движения. Эту долю можно назвать вычислительным центром.
Затылочная формирует зрительные образы. Именно поэтому при ударе по голове сзади мы видим «звездочки» перед глазами — происходит повреждение зрительного центра.
Височная позволяет нам слышать и видеть. Там обрабатывается аудиальная и зрительная информация, а еще хранится вся поступающая информация — это центр долговременной памяти. Эта же височная доля отвечает за наши эмоции, а если быть точнее — то за их мимическое выражение.
Есть еще островковая — она находится между лобной, теменной и височной. Там формируются образы в результате переработки информации от органов чувств. Он соединяет лимбическую систему с большими полушариями. В его функции входит симпатическая и парасимпатическая регуляция. Это регуляция жизненно важных процессов: дыхания, сердечно-сосудистой системы, опорно-двигательного аппарата. Кроме того, в этой небольшой доле формируются наши ответные реакции — поведенческие и эмоциональные.

Задний мозг: мозжечок, мост

Этот отдел образуют мозжечок и варолиев мост, который находится над мозжечком и соединяет его со спинным мозгом. Здесь происходит регуляция нашего вестибулярного аппарата — это ощущение равновесия, а также координация движений. Он надежно защищен, поскольку повреждение этой зоны провоцирует шаткую, неустойчивую походку, ослабление мышц, даже тремор конечностей, в некоторых случаях — изменение почерка.

Средний

Этот отдел является частью двигательной системы и выполняет большое количество функций. Средний мозг контролирует наши движения и защитные реакции, например, в ответ на страх. Он отвечает за зрение, слух, поддерживает терморегуляцию, болевые ощущения, контролирует концентрацию внимания, биоритмы.

Промежуточный отдел

Этот отдел перерабатывает всю входящую информацию. Его основная функция — наша способность адаптироваться, приспосабливаться. Промежуточный мозг состоит из трех частей:

Таламус принимает сигналы нервной системы и отправляет их к соответствующим органам.
Гипоталамус отвечает за удовольствие и работу всех внутренних органов. является центром удовольствия, а также регулирует работу внутренних органов.
Эпиталамус вырабатывает мелатонин — гормон, который регулирует наш сон и бодрствование.

Продолговатый

Выполняет регуляцию систем: дыхательной, кровообращения, пищеварения. Благодаря ему у нас есть безусловные рефлексы, например, чихание, а также тонус мышц. Кроме того, там стимулируется выработка различных секретов — слюны, слез, ферментов ЖКТ.

Науке еще многое предстоит узнать об особенностях нашего самого главного органа. В наших же силах поддерживать его высокую работоспособность при помощи постоянных тренировок. Тренируйте высшие психические функции — внимание, память, мышление — на когнитивных тренажерах, чтобы работа всех отделов была продуктивной.

Существует пограничное мнение о том, что человеческий мозг сам ничего не генерирует, а только ретранслирует что-то, находящееся вне его. Но когда речь заходит о человеческом мозге, даже такая фантастическая идея может оказаться правдой. Например, наука, в лице прихолингвиста Татьяны Черниговской, выдвигает не менее удивительный тезис: в работе мозга человека главный мозг, а не человек.

Да, тело – непосредственный участник процесса. С его помощью мозг получает знания о вкусах, цветах, запахах. Этим люди пока отличаются от компьютера. Но мозг – главнее, потому что:

он мощнее и разнообразнее, чем осознаваемая человеком часть мыслительного процесса,
он принимает решение самостоятельно без участия сознания, и мы не всегда понимаем, как он это делает,
он с небольшим опозданием информирует сознание человека о принятом решении, но обманом старается успокоить «хозяина», создавая условия, при которых человеку покажется, что решение он принял в ходе серьёзного обдумывания.

Мозг: 10 удивительных фактов

Аппаратное тестирование работы мозга показывает, что решение формируется за полминуты до того, как человек осознает его.
Мозг – это настолько ёмкая и грандиозная нейронная сеть объёмом в пять с половиной петабайт информации, что в нём мог бы уместиться видеоматериал на 300 лет непрерывного просмотра.
Полученная в качестве «программного обеспечения» информация влияет на работу головного мозга так, что через время она становится фактором, влияющим на гены. А психосоматическое влияние обнаруживается сразу, в течение одной человеческой жизни, приводя к тому, что мысль, по сути, управляет здоровьем.
В основе эффективной работы головного мозга человека лежит однозадачность. Джон Медина в книге о работе мозга утверждает, что в условиях многозадачности мозг допускает на 50 процентов больше ошибок и, кроме этого, разделяет эти задачи между полушариями, что замедляет его работу. Такое утверждение вступает в некоторое противоречие с приоритетным мнением учёных о том, что мозг не столько разделяет, сколько просто быстро переключается между задачами. Но принципиальным здесь остаётся то, что работа головного мозга эффективнее при последовательной, а не параллельной загрузке.
Короткий дневной сон повышает активность мозговой деятельности. При проведении эксперимента на запоминание 40 карточек, испытуемые в группе, которая смогла вздремнуть в течение 40 минут, вспомнили 85% карточек, что на 30% больше, чем в контрольной группе, которой учёные-
исследователи спать не разрешали. Сами учёные объясняют это тем, что «свежие» воспоминания в гиппокампе очень уязвимы, но, благодаря короткому сну, они успевают продвинуться к неокортексу, где и закрепляются для длительного хранения. Кстати, работа мозга во время сна характеризуется высокой активностью правого полушария и низкой активностью левого.
Мозг питается глюкозой – простейшим углеводом, лучшим источником которой является отнюдь не сахар, а изюм, орехи, зерновые каши. Но недавно голландские и немецкие учёные с помощью спектрального анализа обнаружили, что, кроме глюкозы, мозг потребляет молочную кислоту, уровень которой повышается при диспропорции поступления кислорода к тканям и повышении энергозатрат. В критические для работы головного мозга моменты он начинает питаться лактатом, что объясняется не столько дефицитом глюкозы, сколько нехваткой кислорода.
При получении большого количества новой информации возникает эффект замедленного хода времени. На обработку, усвоение и распределение новой информации мозг тратит больше времени, и человеку кажется, что оно движется медленнее. И наоборот – обращение к привычному материалу способно ускорить субъективное восприятие хода времени, потраченного на такую деятельность.
Предельная умственная усталость может стать прекрасным стимулом для проявления креативности. Уставший организм начинает отсеивать в потоке информации всё лишнее и пытается найти наиболее эргономичное решение с помощью генерирования новых идей путём применения иногда иррациональных, но «свежих» творческих возможностей.
Пока психологи спорят о корректности разделения людей на экстравертов и интровертов, нейрофизиологи приводят доказательство того, что мозг представителей этих двух типов личности по-разному обрабатывает поступающие стимулы. У экстравертов путь прохождения стимулов короче и лежит через области, которые отвечают за сенсорную информацию. У интровертов путь прохождения сигнала длиннее и лежит он через области, которые связаны с запоминанием, планированием и принятием решений.
Работу головного мозга можно стимулировать искусственно, облегчая прохождение сигнала между нейронами, обеспечивая качественную транспортировку кислорода и глюкозы, улучшая кровоснабжение тканей. Делается это с помощью препаратов с ноотропным эффектом. Но существует правило: чем активнее стимулирующие препараты действуют на мозг, тем опаснее последствия для мозга в виде побочных эффектов и биологической зависимости. Поэтому для стимуляции применяют растительные средства «мягкого» воздействия. Срабатывают они немного медленнее сильных стимуляторов, но зато безопаснее и, кроме того, если их принимать курсами, позволяют добиться устойчивого улучшения физиологических возможностей мозга. Самые известные из низ сейчас: BrainRush, Optimentis и особенно HeadBooster.

Принципы работы мозга

Особенность работы мозга человека такова, что о норме в рамках этой темы следует говорить с большой осторожностью. Грань между гениальностью и патологией настолько тонка, что почти незаметна. Психические и нервные расстройства фиксируются уже настолько часто, что начали опережать по количеству сердечно-сосудистые заболевания и онкологию. Тем не менее, существуют нормативные показатели для работы мозговых волн, различные отклонения в регистрации которых дают возможность установить патологии развития.

Мозговые волны

«Мозговые волны» – это излучаемые мозгом электромагнитные волновые колебания малой интенсивности с диапазоном частоты от 1 до 40 герц. В норме они имеют следующие показатели:

Альфа-уровень работы мозга с частотой 8-13 Гц у 95% здоровых людей регистрируется в состоянии расслабленного бодрствования главным образом в областях затылка и темени.
Бета-ритм. Частота работы мозга 14-40 Гц. В норме имеет слабовыраженные колебания с амплитудой до 3-7 мкВ в областях передних и центральных извилин. Возникает при бодрствовании во время наблюдения или при концентрации на решении проблем.
Гамма-волна возникает при решении задач, требующих максимальной сосредоточенности. Колебания от 30-100 Гц в теменной, височной, фронтальной и прецентральной областях.
Дельта-ритм с колебаниями 1-4 Гц связан с медленными восстановительными процессами и низкой активностью.
Тета-ритм. Его частота – 4-8 Гц с регистрацией в гиппокампе и фронтальных зонах. Возникает при переходе расслабленного бодрствования в сонливость.

Принцип рефлекторной работы

Базовый принцип работы нервной системы – рефлекторный.

Рефлекс – это реакция организма на раздражение рецепторов (чувствительных образований), выполнение которой происходит с участием нервной системы.

Рене Декартом в 17 веке был открыт рефлекторный принцип нервной деятельности в целом. А предположение о рефлекторной деятельности высших отделов мозга, то есть, принцип рефлекторной работы мозга был открыт И. Сеченовым уже в 19 веке. И. Павлов разработал пути экспериментального объективного исследования функций коры и методику выработки условных рефлексов на безусловные. Развивая эти представления, П. Анохин создал концепцию функциональной системы, в рамках которой утверждается, что в каждый момент времени складывается сложная система – временное объединение чувствительных рецепторов, нервных элементов структур головного мозга с исполнительными органами.

Человек не компьютер

В целом принципы работы мозга отличаются от принципов работы компьютера и сравнивать их можно только с многочисленными оговорками. Так, например, у человека, в отличие от компьютера, не существует единой энергонезатратной пассивной локализации памяти. Однако нейроны, отвечающие за состояние памяти, всё-таки сосредоточены более-менее сгруппировано в неокортоксе, который содержит около 11млрд. нейронов и ещё больше глий. (Этот тип клеток мозга становится средой обитания нейронов, а их метаболизм связан с метаболизмом нейронов).

Правое и левое полушария: ответственность и синергия

Почти в каждом онлайн-тесте на определение пропорции активности левого и правого полушария перед глазами зрителя появляется «компьютерный» женский силуэт в движении, который может крутиться либо по часовой, либо против часовой стрелки. Это иллюзорное впечатление, которого создавшие его учёные и компьютерщики специально добивались. Но, в зависимости от того, как для наблюдателя движется крутящийся силуэт, можно сказать, какое из полушарий у человека доминирует в текущий момент: по стрелке – левое полушарие, против хода часовой стрелки – правое.

В тестах, поверяющих полушария мозга на работоспособность, чаще есть и другие «испытания», но все они преследуют цель установить:

Модель сознания, где за логическое, последовательное, символическое отвечает левое полушарие, а за интуитивное, хаотическое, конкретное – правое.
Тип целеполагания.
Вид деятельности (Здесь ориентацией во времени, двигательной активностью и чувством тела «занимается» левая половина мозга, а пространственной ориентацией и контролем за движением предметов – правая).
Характер интеллекта – вербальный теоретический с управлением левой половиной и невербальный практический с управлением правой.
Модель памяти – на цифры и формулы для левого полушария и на наглядные образы эмоциональной природы – для правого.
Вид обработки информации – медленная понятийная или быстрая образная.

В работе полушарий мозга всегда наблюдается функциональное разделение обязанностей, но задача тренировок – привести в гармонию работу полушарий головного мозга, объединив их возможности.

Проверка работы мозга: тест на интеллект

Некоторые «продвинутые» начальники при приёме на работу используют IQ-тест, пытаясь определить интеллектуальные способности будущего сотрудника. Это удобно и понятно, потому что этот критерий считается устоявшимся и иллюстративным. Однако на самом деле проверка на IQ демонстрирует только один тип интеллектуальных возможностей человека, не давая соискателю продемонстрировать и десятой части всего спектра своих способностей. Отсюда вывод: начальнику целесообразнее провести с потенциальным работников узкоспециальный тест, относящийся непосредственно к предстоящей работе – проверку на:

логическое мышление,
пространственную память,
внимание и концентрацию,
скорость принятия решения и др.

Однако вера в непогрешимость IQ-теста не единственное заблуждение, бытующее в массовой культуре. К таким же убеждениям относятся представление о том, что интеллектуальные способности на 100 процентов зависят от количества т. н. «серого вещества» (хотя, что такое серое вещество знают далеко не все). Или то, что существует особая женская логика, а мужчины умнее женщин.

Поправка на мужской и женский ум иногда правомерна. Девочки, например, с первых минут после рождения более чувствительны к прикосновениям, а женщины лучше мужчин улавливают эмоциональные оттенки в речи и вообще более восприимчивы к словам. Однако из сказанного не следует, что мужская логика существует отдельно от женской, и мужской ум более совершенен, чем женский.

Вот одна из многочисленных иллюстраций. В апреле 2015 года была «поднята» статистика наиболее эффективных программистов на базе 4 млн. анкет. Выяснилось, что заказчики больше довольны работой, выполненной женщинами, однако только до тех пор, пока не узнают о половой принадлежности автора. После этого – в одном случае из семи, у заказчиков включаются гендерные предубеждения.

Исследование работы мозга продолжаются непрерывно. По книге Дика Свааба «Мы – это наш мозг. От матки до Альцгеймера», книге Криса Фрита «Мозг и душа», книге Тео Компернолле «Мозг освобожденный», книге Дэвида Рока «Мозг. Инструкция по применению» и многим другим изданиям можно следить за новыми открытиями в этой теме и сопоставлять популярные теории.

С одной стороны, работа головного мозга изучена достаточно хорошо благодаря трудам сотен исследователей и современной аппаратуре. С иной – никто из учёных не может в подробностях рассказать, как работает мозг человека. Фактически вся наука и медицина основаны на предположениях, догадках, недоразумениях, косвенных результатах экспериментов и даже вере.

Изучение функционирования этого сложнейшего и самого непонятого в мире объекта – очень перспективное занятие, как для молодых специалистов, так и для опытных учёных, медиков, психологов. Мы попытаемся привести принципы работы головного мозга человека, основываясь на результатах экспериментов и достижениях современной науки.

Что такое мозг?

Это главный орган ЦНС, расположенный и хорошо защищённый от влияния на него факторов внешней среды черепной коробкой и мозговой жидкостью. Череп защищает от сильных механических воздействий, а жидкость, в которой мозговое вещество словно плавает, играет роль амортизатора.

Он состоит из двух тесно взаимодействующих полушарий, в состав коих входят миллиарды нейронов – нервных клеток. Каждая клетка является структурной единицей и связана с соседней массой нервных отростков – аксонов. Те, в свою очередь, являются каналами передачи нервных импульсов и связаны синоптическими связями. Сигналы (нейромедиаторы) вырабатываются самими нейронами и передаются по каналам (аксонам), причём разные типы нейронов и вещества вырабатывают различные. Кроме того, они способны генерировать слабые электрические токи.

Интересный факт! Известно, что все нейроны общаются между собой, даже находясь на значительном для их размеров расстоянии. Если бы это общение осуществлялось благодаря электрическим сигналам, внутри черепа «блуждали» бы огромные токи, но таковых нет.

Работа головного мозга человека достаточно подробно объяснена на молекулярном уровне, насколько это позволяет современное оборудование, но понимания того, как в результате взаимодействия миллиардов клеток головной мозг работает как единый организм, нет. Также никто не знает, какими принципами и механизмами координируется взаимодействие столь большого числа клеток.

Тут можно провести аналогии с пчелиной или муравьиной семьёй: один муравей или пчела, и даже несколько десятков или сотен особей, пускай в столь небольшой семье будут присутствовать все классы (рабочие, матка, кормящие расплод), не способны функционировать как один организм, полноценная семья. Только их число достигнет критического количества, всё встаёт на свои места, все делают своё дело, вроде кто-то всеми ими руководит со стороны.

Строение

Каждое полушарие выполняет определённые функции в организме и психической деятельности людей. Если с обеспечением существования тела картина хотя бы в общих чертах понятна, то ментальный план (мышление) для людей пока неосязаем. Как человек думает, неизвестно.

Головной мозг соединяется со спинным – массивным пучком нервных волокон, состоящим из более, чем 30 сегментов. По нему все сигналы передаются в головной мозг и обратно. Сам орган боли не чувствует, потому как не обладает нервными окончаниями.

Человеческий мозг окружен 3-мя оболочками:

твёрдая – соединительная ткань;
мягкая – обволакивает орган, заполняя собой все извилины, в ней не расположен ни один кровеносный сосуд;
паутинная – расположена между предыдущими, под ней находится подпаутинное пространство, заполненное спинномозговой жидкостью, амортизирующей резкие физические перегрузки (удары).

Кора – это пара полушарий, соединенных мозолистым телом – пучком нервов. Полушария условно разделены на отделы и центры, выполняющие преимущественно управление какой-либо одной функцией организма: кровообращение, дыхание. Строение мозга очень сложное, рассматривать все аспекты физиологии органа не будем.

Функционирование

Установлено, что полушария отвечают за работу противоположных частей тела: левое, по большему счёту, заставляет работать правую часть организма, а правое – левую. Общаются они между собой посредством моста – мозолистого тела.

Правое полушарие в целом отвечает за предметно-образное мышление, которое на порядки быстрее символьного (лучше раз увидеть, чем 7 раз услышать). Людям с развитым левым полушарием (левши) проще оперировать образами, а не числами, им трудно понимать чертежи, диаграммы и графики. Активизация и развитие левого полушария делает левшей творческими людьми (изобретатели, писатели, асы в разного рода искусствах и видах деятельности), одним словом – творцами.

Левая часть – это абстрактно-логическая деятельность. Работа человеческого мозга с более развитым этим полушарием делает своего владельца интеллектуалом, способным врать, не видеть целостности вещей, процессов и связей между ними.

То, что не увидишь

Эмоции – от них во многом зависит деятельность как мозга, так и организма в целом. За выделение большинства гормонов, которые управляют почти всеми процессами в теле и его эмоциональным состоянием, отвечает лимбическая система. Недостаток или чрезмерное количество гормонов приводит к тем или иным сбоям и изменениям в функционировании организма, изменению его эмоционального состояния. Во многом работа мозга человека зависит от уровня гормонов.

Мысли и память

До сих по не найдены центры или участки, в которых хранится весь наш опыт, отвечающие за память. Предположения того, что ячейки памяти находятся где-то далеко, а не в голове, становится всё более интересными научным кругам.

Ответ, как работает эта система, скрывается в молекуле ДНК, она является ключом к пониманию многих процессов во Вселенной, в том числе и в мозгу. Как объяснить общение клеток между собой, если пропускной способности нервных волокон для передачи сигналов явно недостаточно. Вывод: головной мозг человека работает на совершенно иных принципах, чем предполагают учёные. И тут необходимо присмотреться к основам квантовой механики.

Ритмы

Любой вид мозговой деятельности происходит на определённых частотах работы органа – ритмы. Их два вида:

альфа – частота 7-17 Гц, характеризуется состоянием сознательного покоя (медитация, сон);
бета – частота около 20 Гц – излучаются мозгом почти всегда.

Что интересно, бета-ритмы соответствуют частоте стоящих электромагнитных волн, расположенных между ионосферой и поверхностью Земли (волны Шумана).

Альфа-волны частотой 7,8 Гц генерируются процессами, происходящими на Солнце и в облаках. Они задают ритм жизни на планете, им и подчиняется мозговая деятельность. 2-я гармоника резонанса Шумана равняется 14 герцам, что соответствует состоянию мозга, когда он готов обучаться – получать, усваивать и обрабатывать информацию, а также вырабатывать на её основе новую.

Если кто так и не понял, как работает мозг человека, значит всё в порядке. С одной стороны – это очень сложный орган, электрохимическая машина, работа коего издали напоминает функционирование транзистора (но очень сложного), а с иной – это не самодостаточный орган, он тесно взаимосвязан с окружающим миром, происходящими вокруг и вдали от нас процессами, а также активностью Солнца.

Немалый процент учёных согласны, что 95-98% ДНК, относимых к мусорным генам, играют важную роль в жизнедеятельности живых организмов.

Что такое сознание и бессознательное, сновидения, куда девается сознание во время сна или, например, получения серьёзных травм, как мозг связан с окружающей средой, куда деваются мысли, почему многие вещи мы делаем рефлекторно…вот лишь мизерная часть вопросов, ответ на которые должен дать человек в ближайшем будущем.

Мозг человека - самое удивительное, загадочное и малоизученное вещество в мире. У него множество способностей, о которых мы даже не подозреваем. Как сохранить ясный ум до глубокой старости, почему болезней мозга становится больше и чем отличается женский мозг от мужского, «АиФ-Красноярск» рассказала врач-невролог высшей категории Оксана Брюханова.

Наш персональный компьютер

«АиФ-Красноярск», Ксения Орлик: 22 июля отмечается Всемирный день мозга. Учёные подчёркивают важность здоровья этого органа и говорят о его постоянном развитии. В наше время действительно приходится всегда держать мозг в тонусе. Всё так быстро меняется: технологии, гаджеты… А люди от этого становятся умнее?

Оксана Брюханова: Может быть в древние времена у людей мозг и был больше по массе, но скажу: мыслительные функции не зависят от веса. У китов, слонов ведь мозг огромный, но они не умнее людей. А вот человечество, конечно, со временем развивается, соответственно и люди становятся умнее.

Вместе с тем плохая экология, режим, питание отрицательно влияют на работу мозга. Учёные доказали, что при регулярном недосыпе происходят необратимые процессы. Клетки не восстанавливаются. Студенты прекрасно помнят: когда ночь погуляешь, утром очень тяжело привести в порядок мысли. Нарушается микроциркуляция и обменные процессы в головном мозге.

Головной мозг - это персональный компьютер человека. Именно он отдаёт команды на выполнение всех функций организма. Каждый отдел отвечает за своё направление. В передний входят промежуточный мозг и большое полушарие. Первое отвечает за работу внутренних органов, вегетативные функции, обмен веществ, регулирование температуры тела, дыхание, чувство жажды, голода. Большое полушарие разделено на два отдела: правое и левое. Кстати, левое регулирует правую сторону тела, а правое - левую.

Средняя часть соединяет переднюю и заднюю, отвечает за функции зрительных и слуховых органов. Задняя - это мозжечок, поддерживающий позу тела, координацию, движения. А продолговатый мозг в задней части регулирует кровеносную, дыхательную, пищеварительную системы.

- Головная боль - одна из самых распространённых проблем со здоровьем на планете. Хотя бы раз в месяц голова болит практически у любого человека. Это нормально?

- Головная боль бывает разной. Ноющая, стреляющая, тупая, распирающая. Могут болеть лоб, виски, затылок. Вместе с тем немеют руки, человек может потерять сознание. Чаще всего люди испытывают боль от напряжения. Это характерно для офисных работников, постоянно сидящих за компьютером. Нужно делать перерывы, дыхательную гимнастику. А если боль регулярная, то следует измерить давление, оно, скорее всего, высокое или низкое. Иногда головная боль маскирует другие заболевания, поэтому необходимо обратиться к врачу.

- Сегодня от болезни Паркинсона страдают порядка 10 млн человек. Что это за бич XXI века?

- Да, заболеваний головного мозга очень много - это и опухоли головного мозга и энцефалопатия, болезнь Альцгеймера, мигрень, инсульты и, в частности, болезнь Паркинсона. Это только кажется, что люди стали больше страдать болезнями головного мозга. На самом деле эти заболевания были и раньше. Просто раньше врачи не всегда могли правильно поставить диагноз. Сейчас есть современное оборудование, разработано много новых методик лечения. К примеру, диагностику МРТ лет 20 назад можно было сделать даже в таком крупном городе как Красноярск только в одном месте. А теперь это обследование доступно каждому. Появляются новые препататы для лечения данных заболеваний. Это очень радует.

Общаясь с коллегами из разных регионов, я сделала вывод, что чем больше город и эмоциональная нагрузка на человека, тем больше заболеваний невротического плана. Если Красноярск сравнивать с деревней, быт здесь напряжённый, но если с Москвой - город вполне приемлем для качественной здоровой жизни.

Спорт и интеллект заодно

- Большинство долгожителей занимаются интеллектуальной деятельностью. В пожилом возрасте продолжают читать, изучать. Значит ли это, что нужно всю жизнь тренировать мозг, чтобы в старости иметь ясный ум?

- Пик развития головного мозга - три года. Но тренируем мы его в течение всей нашей жизни. Пожилым людям полезно считать, учить стихи, разгадывать кроссворды.

Представьте: в мозге около 86 млрд нейронов. Они формируют сложные электрические импульсы, которые контролируют деятельность всего организма. И чем плотнее связи, тем выше интеллект. Мозг пластичен, он постоянно меняется из-за образования новых связей, и, к слову, не только от изучения стихов и прочего. Физические нагрузки тоже важны. Регулярные пробежки, тренировки улучшают умственное здоровье. Люди с низким показателем интеллекта чаще страдают от болезней мозга. А интеллектуалы, ко всему прочему, не склонны к полноте.

- Учёные придерживаются мнения, что мозг мы используем на все сто процентов. Когда ребёнок рождается, у него есть даже лишние клетки, которые со временем погибают. Я не согласна с теми, кто говорит, что наши дети слишком загружены в школе. Чем больше мы нагружаем ребёнка необходимыми знаниями, тем лучше. И мы не можем исключить случаи, когда, к примеру, человека ударила молния и он стал писать стихи, ушибся головой - начал играть на фортепиано. Это наталкивает на мысль, что у мозга всегда есть потенциал. Он ещё малоизучен.

Сладкий допинг

- У кого всё-таки больше серого вещества - у мужчин или женщин?

- У мужчин мозг больше, чем у женщин, в среднем на 8-13%. Однако женщины используют его ресурсы более рационально. Учёные исследовали гиппокамп - участок головного мозга человека, отвечающий за формирование эмоций и умственных способностей. Женский гиппокамп при меньшем объёме выполняет функции более эффективно. Это происходит за счёт увеличения количества связей между нейронами.

И, кстати, мозг на самом деле не серый, а разноцветный. Серого цвета его кора, там расположены клетки-нейроны. А окружающее вещество - аксоны - белое. Кроме этого, кровеносные сосуды придают ему розовый оттенок. В среднем вес мозга составляет 2% от массы тела - 1200-1500 г - и имеет желеобразную консистенцию.

- Правда ли, что шоколад благотворно влияет на работу мозга? Какие ещё продукты полезны?

- Пища играет огромную роль в работе мозга. Прослеживается прямая связь между правильным питанием и нашими способностями. Мозг использует 20-30% всех калорий, которые мы получаем.

Ещё он состоит на 75% из воды, поэтому обезвоживание поднимает гормональный уровень, усиливает напряжение. Выпивать нужно 1,5 литра воды в день. Очень важна рыба. Полиненасыщенные жирные кислоты и кислоты группы Омега три регулируют уровень холестерина и улучшают работу сосудов. Их нехватка приводит к снижению памяти. Что касается углеводов, сейчас популярны вегетарианские диеты, когда люди себя ограничивают в мясе, рыбе, сладостях, яйцах. Я считаю, нельзя так питаться. Головной мозг любит именно всё сладкое и жирное. Но и сложные углеводы нужны - каши, хлеб, макароны. Конечно, фрукты, богатые антиоксидантами, ягоды, орехи.

Про шоколад - правда. Даже запах шоколада улучшает настроение. Шоколад имеет в составе антиокислители, эти вещества эффективно защищают клетки мозга от старения и заболеваний. Сахар активизирует серотонин. А жиры оказывают успокаивающее действие.

Интересные факты:

• При употреблении алкоголя происходит ослабление связей между нейронами.

• Обычный смех требует работы пяти различных областей мозга.

• Без кислорода мозг человека живёт не более 6 минут, а затем начинают происходить необратимые процессы - массовая гибель нервных клеток.

• Скорость передачи сигналов между нейронами мозга достигает 288 км/ч. С возрастом скорость падает на 5-20%.

• Изучение языков - лучший способ комплексно развивать головной мозг. При запоминании и повторении слов задействовано максимальное количество нейронов.

• Самый высокий средний показатель IQ у населения принадлежит Японии - 110.

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

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.

Читайте также: