WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 16 |

Как работают нервные импульсы? Обработка информации в головном мозге (равно как и в спинном мозге и сет­чатке) осуществляется уникальными по сво­ему разнообразию клетками, которые назы­ваются нейронами. Попробуем разобрать­ся, как же устроен нейрон. Его утолщен­ная центральная часть, немного похожая на звезду и часто имеющая форму редиски, называется телом (сомой) нейрона и содер­жит в себе клеточное ядро. С одной сто­роны от тела нейрона отходит сильно вы­тянутое нервное волокно, называемое аксо­ном. Аксон иногда достигает действительно огромной длины (у человека — часто до не­скольких сантиметров), если учесть, что речь идет всего лишь об одной микроскопичес­кой клетке.

Аксон служит «проводом», по которо­му передается исходящий из клетки нервный сигнал. От аксона в стороны могут отходить более мелкие ветви и, кроме того, аксон мо­жет несколько раз разветвляться. На концах каждого из этих нервных волокон находят­ся нервные окончания (терминали). По дру­гую сторону сомы, а часто и отходя от нее во всех направлениях, располагаются корот­кие сильно ветвящиеся отростки — дендриты, по которым в клетку поступают вход­ные данные. (Иногда и на концах дендритов встречаются терминали, образующие так на­зываемые дендродендритные синапсы между дендритами. В дальнейшем я не буду их учи­тывать, поскольку связанное с ними услож­нение общей картины несущественно).

Клетка как целое отделена от окруже­ния клеточной мембраной, которая охватывает сому, аксон, нервные окончания, дендриты и все остальное. Для того что­бы сигналы передавались от одного нейрона к другому, надо какимто образом обеспе­чить им возможность «перехода через ба­рьер» между нейронами. Это достигается с помощью межклеточного соединения, на­зываемого синапсом, в котором терминаль одного нейрона соединена с какойлибо точ­кой на соме или на одном из дендритов другого нейрона. На самом деле, между терминалью одного нейрона и сомой или дендритом другого остается очень узкий зазор, который называется синаптической щелью. При передаче от одного нейрона к другому сигнал должен преодо­леть этот зазор.

 В какой форме сигналы передаются по нервным волокнам и через синаптические щели? Что заставляет следующий нейрон передавать сигнал дальше? Для непосвященного, вроде меня, механизмы, которые ис­пользуются здесь природой, кажутся удиви­тельными и совершенно зачаровывающими! Можно было бы думать, что эти сигналы распространяются точно так же, как элек­трический ток по проводам, но в действи­тельности все гораздо сложнее. Нервное волокно представляет собой цилиндрическую трубку, заполненную рас­твором обычной соли (хлорида натрия), сме­шанной с хлоридом калия (с преоблада­нием последнего), так что внутри трубки находится смесь из ионов натрия, калия и хлора. Снаружи волокна на­ходятся те же ионы, но в других соотно­шениях: ионов натрия больше, чем ионов калия. В состоянии покоя содержимое труб­ки имеет суммарный отрицательный заряд (т.е. ионов хлора там больше, чем ионов калия и натрия вместе; напомним, что ионы калия и натрия заряжены положитель­но, тогда как ионы хлора — отрицательно). Клеточная мембрана, образующая поверх­ность цилиндра, имеет «утечки», поэтому ионы перемещаются через мембрану таким образом, чтобы нейтрализовать избыточный заряд. Компенсацию утечек и поддержание избыточного отрицательного заряда внутри трубки осуществляет «ионный насос», ко­торый очень медленно откачивает ионы на­трия через мембрану наружу. Отчасти это же помогает поддерживать избыток ионов ка­лия по сравнению с ионами натрия во вну­треннем растворе. Существует также ион­ный насос, который (более медленно) пере­носит ионы калия из наружной среды внутрь трубки (что, правда, не способствует поддер­жанию разности зарядов).

Сигнал, распространяющийся по нерв­ному волокну, представляет собой область с обратным распределением зарядов (т. е. положительный заряд внутри и отрицатель­ный снаружи), которая перемещается вдоль волокна. Вообразите, что вы на­ходитесь на нервном волокне как раз перед такой областью с обратным распределени­ем зарядов. По мере того, как эта область приближается, электрическое поле откры­вает в мембране маленькие «дверцы», назы­ваемые натриевыми каналами. Это позволя­ет ионам натрия перемещаться с наружной стороны мембраны обратно внутрь трубки (в результате совместного действия электри­ческих сил и давления, обусловленного раз­ностью концентраций, т. е. «осмоса»). Это приводит к тому, что заряд снаружи стано­вится отрицательным, а внутри — положи­тельным. Когда это происходит, мы знаем, что область обратного распределения заряда, которая и является сигналом, достигла нас. При этом позади нее открываются крошеч­ные «дверцы» другого типа (калиевые кана­лы), которые выпускают ионы калия наружу, тем самым восстанавливая избыточный от­рицательный заряд внутри. Теперь сигнал прошел! Наконец, когда сигнал уже доста­точно удалился, медленно, но верно работа­ющие ионные насосы постепенно выкачива­ют ионы натрия из трубки наружу, закачивая внутрь ионы калия. Таким образом волокно возвращается в состояние покоя и готово к передаче очередного сигнала.

Обратите внимание, что сигнал пред­ставляет собой просто область обратного распределения заряда, движущуюся вдоль волокна. Вещество как таковое (т. е. ионы) перемещается при этом совсем немного только внутрь и наружу через клеточную мембрану! Этот странный, экзотической механизм действует на поверку очень эффективно. Он универсален и используется как у позвоноч­ных, так и у беспозвоночных. Но у позвоноч­ных он был усовершенствован за счет изоля­ции нервных волокон при помощи белова­того жироподобного вещества, называемого миелином. (Именно миелиновым покрыти­ем объясняется цвет «белого вещества» моз­га.) Такая изоляция позволяет нервным им­пульсам распространяться без потерь (от од­ной «ретрансляционной станции» к другой) и с очень приличной скоростью — до 120 метров в секунду.

Когда сигнал достигает терминали, из нее выделяется химическое соединение, на­зываемое нейромедиатором. Это соединение пересекает синаптическую щель и достигает другого нейрона поверхности дендрита или сомы. При этом у одних нейронов терминаль выделяет нейромедиатор, облегчающий возбуждение следующего нейрона, т.е. посылку нового сигнала вдоль своего аксона. Эти синапсы называются возбуждающими. У других нейронов терминали выделяют нейромедиатор, затрудняющий другому нейрону генерацию собственного импульса, и поэтому называются тормозящими. На каждом нейроне действие активных в данный момент возбуждающих синапсов суммиру­ется, из результата вычитается суммарное действие тормозящих синапсов, и если по­лученная разность превышает определенное критическое значение, то нейрон действи­тельно возбуждается. (Возбуждающие синапсы создают положительную разность по­тенциалов между внутренней и наружной сторонами мембраны следующего нейрона, а тормозящие — отрицательную. Эти разно­сти потенциалов складываются. Нейрон воз­будится только в том случае, если результи­рующая разность потенциалов на мембране в начале его аксона достигнет определен­ной критической величины, при которой ионы калия не успевают выходить нару­жу достаточно быстро, чтобы восстановить равновесие.) Компьютерные модели Важным свойством нервной системы является то, что сигналы, используемые для передачи информации, относятся (большей частью) к классу явлений «все или ниче­го». Сила сигнала не изменяется: он или есть, или его нет. Это придает деятельно­сти нервной системы некоторое сходство с работой цифрового компьютера. На са­мом деле, между работой огромного коли­чества взаимосвязанных нейронов и про­цессами внутри компьютера со всеми его проводниками и логическими элементами (подробнее об этом чуть позже) есть много общего. В принципе, было бы не так уж трудно создать компьютерную модель по­добной системы нейронов. Но возникает вполне естественный вопрос: не означает ли это, что какой бы ни была детальная схема соединений нейронов в мозге, всегда можно построить его компьютерную модель? Чтобы сделать это сравнение более на­глядным, я должен объяснить, что такое логический элемент. В компьютере мы также сталкиваемся с ситуацией типа «все или ни­чего»: либо в проводнике есть импульс тока, либо его нет, причем когда импульс есть, его величина всегда одна и та же. Поскольку все в компьютере строго синхронизовано, то отсутствие импульса было бы опреде­ленным сигналом, который может быть «за­мечен» компьютером. Вообще говоря, когда мы пользуемся термином «логический эле­мент», мы неявно подразумеваем, что на­личие или отсутствие импульса обозначает «истину» или «ложь», соответственно. Ко­нечно же, к реальной истине или лжи это никакого отношения не имеет и использу­ется только как общепринятая терминоло­гия. Мы будем также обозначать «истину» (наличие импульса) цифрой «1» и «ложь» (отсутствие импульса) цифрой «0». Помимо этого, как и в главе 4, мы будем обозначать знаком «&» логическое «и» (которое явля­ется «утверждением» об «истинности» обоих аргументов, т. е. принимает значение 1 то­гда и только тогда, когда оба они равны 1); «V» — логическое «или» (которое «означа­ет», что либо один из аргументов, либо оба они «истинны», т. е. выражение становится равным 0 тогда и только тогда, когда оба ар­гумента имеют значение 0); знаком «=>» — «следует» (т. е. А => В означает утвержде­ние «если истинно А, то истинно В», что эквивалентно утверждению «либо А ложно, либо В истинно»); у — «тогда и только тогда» (выражение истинно, если оба аргу­мента «истинны» или же оба «ложны» одно­временно); и использовать знак «~» для ло­гического «не» (выражение «истинно», если аргумент «ложен», и «ложно», если аргумент «истинен»). Результаты применения различ­ных логических операций можно описать при помощи так называемых «таблиц ис­тинности»: в каждой из которых А обозначает строки (т. е. А = 0 дает первую строку, а А = 1 вторую), а В — столбцы. Например, если А = 0 и В = 1, что во всех таблицах отве­чает правому верхнему углу, то выражение А => В согласно третьей таблице примет значение 1. (Соответствующий словесный пример из области традиционной логики: утверждение «если я сплю, то я счастлив», очевидно, остается истинным в частном слу­чае, когда я бодрствую и счастлив.) Это — основные типы логических элемен­тов. Есть еще ряд других, но все они могут быть построены из только что описанных. Итак, можем ли мы, в принципе, по­строить компьютер, используя соединенные между собой нейроны? Я собираюсь пока­зать, что это возможно даже при самых примитивных представлениях о функциях нейрона. Посмотрим, как можно было бы, в принципе, построить логические элементы на основе соединенных между собой нейро­нов. Нам потребуется новый способ запи­си цифр, поскольку в отсутствие сигнала ничего не происходит. Будем считать (со­вершенно произвольно), что двойной им­пульс обозначает 1 (или «истину»), а оди­ночный — 0 (или «ложь»). Примем также упрощенную схему, в которой нейрон воз­буждается только при получении двух воз­буждающих импульсов (т. е. двойного им­пульса) одновременно. Тогда нетрудно скон­струировать элемент «и» (т.е. «&»).Для этого достаточно, чтобы с выходным нейроном образовывали входные синапсы два нервных окончания. (Тогда, если по обоим окончаниям приходят двойные импульсы, то и первый, и второй импульс превысят заданный двухимпульсный порог срабатывания; а если хотя бы на один входной синапс приходит одиноч­ный импульс, то превысит порог лишь одна конечного нейрона соответствует сигналу элемента «не» (т. е. пара импульсов, если на входе был одиночный, и наоборот). (Та­кая конструкция кажется абсурдно услож­ненной, но это наилучшее из того, что при­шло мне в голову!) В качестве развлечения читатель может составить подобные «ней­ронные» схемы и для остальных описанных выше логических элементов.

Pages:     | 1 |   ...   | 2 | 3 || 5 | 6 |   ...   | 16 |




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.