Нейронные связи головного мозга что это простыми словами

Нейронные связи — что это такое и как их изменить?

Привет, друзья! Многие из вас слышали про нейронные связи, но еще далеко не все правильно понимают, что это такое.

В этой статье я простыми словами попробую немного распутать нейросетевую «паутину» и даже показать вам ее паука, называемого «нейропластичность».

Содержание статьи:

Что такое нейронные связи?

Человек (как и животные) рождается с каким-то набором клеток головного мозга – нейронов. По мере получения жизненного опыта – взаимодействия с окружающим миром, нейроны образуют между собой устойчивые связи (цепочки).

Это свойство мозга позволяет его обладателям быстро учиться всему новому и приобретать навыки (полезные и не только). Оно лежит в основе повседневного поведения, привычек и даже убеждений.

Большинство нейронных связей формируются в раннем детстве – в период усвоения наибольшего количества информации и обретения наибольшего количества навыков.

Информация (навык, убеждение, привычка), содержащаяся в сформировавшихся нейронных цепях, воспринимается ее «хозяином», как истина. Хотя, кто кого хозяин — еще большой вопрос.

Нейропластичность — что это?

Нейропластичность – это свойство человеческого мозга изменяться под воздействием нового опыта, знаний и условий. В основном, на этом свойстве нашего мозга и основана вся суть результативности психологической работы.
⠀
Начнем как раз с этого конца, оригинальности ради. Какие задачи стоят перед психологом и клиентом в процессе работы?
⠀
Разберем на примере работы со страхом публичных выступлений:

За счет чего же происходят все эти изменения? – спросите вы.

Научные исследования доказывают, что у нашего мозга есть способность выращивать НОВЫЕ нейроны. Вопреки известному «нервные клетки не восстанавливаются». Этот процесс называется НЕЙРОГЕНЕЗОМ.
⠀
Но сам по себе нейрон (нервная клетка) на бытовом уровне мало чем вас порадует. Для нас важен еще один процесс в мозге – НЕЙРОПЛАСТИЧНОСТЬ.

Это способность образовывать связи между этими нейронами. Выстраивая ту самую ниточку паутины — «НЕЙРОННУЮ ЦЕПОЧКУ», о которой из всех окон кричат психологи в попытках объяснить клиенту, почему же в процессе «терапии» у него формируются новые, нужные ему, привычки реагирования.
⠀
Если на пальцах: любой навык или эмоция, будь то умение ездить на гироскутере или умение «блаженно» улыбаться дождю — цепь нейронов.

По этой цепи, как по электрическому кабелю, передается информация от различных рецепторов к центральной нервной системе. А от нее, соответственно, к разным органам, тканям, эндокринным железам.

Пример:
Вы видите щенка (рецепторы органов зрения «видят»). И дальше два варианта развития событий:

В нас УЖЕ прописаны сценарии поведения. Мозг просто извлекает из «картотеки» нужную реакцию. НО. Мы же говорим о нейропластичности. Все можно изменить, при желании. И чем «прочнее» будет отлажена нейронная цепь, тем легче вы оперируете навыком.

То есть, например, наработанный новый навык «спокойно реагировать на вбросы хейтеров» должен стать естественной реакцией, а не «соберу волю в кулак и не буду нервничать».

Метафора для наглядности понимания этого процесса: представьте себе, как на беговых лыжах вы прокладываете лыжню на нетронутом снегу. И в противовес — как бодро несетесь по уже проложенной и «разъезженной» лыжне.

Также и тут. Передачу импульсов по нейронной цепи важно сделать максимально быстрой и бесперебойной.

Как создать прочную связь?

Формирование ПРОЧНОЙ новой нейронной связи возможно в двух случаях:

Этим, в том числе, объясняется влияние психотравматического опыта в детстве на жизнь взрослого человека.

Например, высмеянный воспитателем в саду пластилиновый грач может отрубить желание творчески проявлять себя на всю жизнь.

Поэтому в процессе работы с клиентом психологу необходимо «заходить» и через яркие эмоции, и закреплять наработанное на поведенческом уровне многократно. Ибо задача: ВЫРАБОТАТЬ НОВЫЕ АВТОМАТИЗМЫ (читай: новые прочные нейронные цепи).

Что можно изменить?

Теория становится полезной, когда ее можно применить на практике. В общем. За нашу жизнь нейроны уже образовали связи, в которых запечатлен наш опыт. Любой. Для мозга нет плохих и хороших эмоций. Есть просто эмоция. Для мозга это задача, которую нужно правильно обработать.

Пример. «Плохая», казалось бы, эмоция СТРАХ. Для мозга, схематично, это задача: дать приказ надпочечникам выработать адреналин.

Адреналин отвечает за реагирование тела на страх: бей, беги, замри. В связи с чем, наблюдаются следующие проявления: повышается потоотделение, учащается дыхание, сердце «выскакивает из груди».
⠀
И мозг все сделал правильно! Страх — значит опасность. Опасность, значит надо спасаться. Вот только когда весь этот «набор героя» появляется у вас, например, во время важных переговоров, — история так себе.

⠀
Возвращаясь к нейронным цепям и моим увещеваниям, что мы можем менять реакции.
Можем ли мы изменить цикл: СТРАХ-ОПАСНОСТЬ-АДРЕНАЛИН-«потное тело и сердце колотит 200 ударов в секунду»? Нет.

Тогда на каком же этапе мы можем влезть в этот отлаженный механизм? На этапе, когда вы среагировали эмоцией «СТРАХ» на бытовую ситуацию (например, переговоры. Речь не идет о реально опасных для жизни и здоровья ситуациях, разумеется).

Итак, на повестке дня: СТРАХ ВЕСТИ ПЕРЕГОВОРЫ в разрезе наличия давно сформированной нейронной связи, которая «диктует» эту эмоцию. Откуда вообще такая иррациональная с точки зрения взрослого человека реакция?

Как вариант: когда-то в далеком детстве вы НЕОСОЗНАННО ВЫБРАЛИ реагировать страхом на определенные ситуации.

Например, пререкание с отцом грозило подзатыльником, «углом», лишением вечерних «Хрюши со Степашкой» и т.д. Трагедия, в общем.
⠀
Мозг «записал себе в блокнот»: высказывать свое мнение = наказание, наказание = страшно.
И получается: ВЫСКАЗЫВАТЬ СВОЁ МНЕНИЕ = СТРАШНО

Тогда, в детстве, это было эффективным, «полезным». Вы выбрали быть послушным, неконфликтным, и держать свое мнение при себе. Чтобы избегать наказания и не лишаться ништяков всяких. Логично? Логично. Вопрос адаптации.
⠀
Вот только вы выросли, а хвостом тянете за собой из детства готовый алгоритм реагирования: не перечить, не отстаивать свою точку зрения. Потому что по-прежнему СТРАШНО. Страшно доказывать свою правоту.
⠀
Разбор несколько утрированный и линейный — для наглядности. В реальности все гораздо более витиевато, конечно.
⠀
Так вот. В наших силах изменить именно эту сцепку. Тогда высказывать свое мнение человек будет спокойно и уверенно. Без запуска того цикла с адреналином.

Что еще нужно знать о нейронных связях?

Давайте еще раз вспомним то, что мы узнали о нейронных связях (цепях).

Грубо говоря, все наши действия, эмоции, реакции – это УЖЕ СФОРМИРОВАННЫЕ АЛГОРИТМЫ, которые запускаются автоматически, в зависимости от ситуации.

⠀
Вы вытираетесь полотенцем после душа по одной траектории, следуете привычному маршруту до офиса, избегаете или, наоборот, провоцируете конфликтные ситуации, доверяете или, наоборот, подозреваете людей и т.д. Автоматически.
⠀
Мы выяснили, что в наших силах изменить это самое автоматическое реагирование в ситуациях, где такое реагирование нам мешает.
⠀
Закономерный вопрос. Если формируется новая реакция (читай: новая нейронная цепь), то что же происходит со старой? Неактивные нейронные цепи ослабевают.

То есть, если вы все чаще будете вместо «покорного ДА» в ответ на неудобную для вас просьбу говорить «уверенное НЕТ», постепенно цепь про НЕТ будет прочнеть, а про ДА ослабевать. Ну, при условии устранения глубинных причин, из-за которых вы выбирали быть для всех удобными, разумеется.

Формирование нужных для вас нейронных связей возможно только в случае, если «расчищено рабочее поле». То есть, нужно убрать все то, что удерживает старую реакцию.

Поэтому не всегда эффективными оказываются мотивационные тренинги. Стимул действовать и реагировать по-новому вы получили, а весь базис остался прежним. И мотивационный запал постепенно сходит на нет.
А у кого-то и так все «не тронуто негативным опытом» и новые навыки радостно встраиваются.

Источник

ВВЕДЕНИЕ В КОГНИТИВНЫЕ НЕЙРОНАУКИ. Глава 3. Нейроны и связи между ними.

Глава 3. Нейроны и связи между ними.

Что мы знаем о процессах, происходящих на уровне нейронов? Можем ли мы сейчас построить непротиворечивую теорию относительно событий на этом уровне?

Основными клетками мозга являются нейроны, высококонсервативные с эволюционной точки зрения. Они сохранялись в относительно неизменном виде в течение многих сотен миллионов лет, и даже очень разные виды животных имеют одинаковые типы нейронов. Со многих точек зрения нейроны не отличаются от остальных клеток, но есть то, что выделяет их среди остальных: специализация на электрохимической сигнализации, благодаря которой они способны принимать входящий сигнал на дендритах и посылать электрохимический сигнал вдоль аксона. Весь мозг можно рассматривать как сверхсложную структуру, состоящую из связанных между собой нейронов.

Дендритами и аксонами называют выросты тела нейрона; один нейрон может иметь до десяти тысяч дендритов и один аксон.

Потенциал действия (ПД) проходит по аксону значительно медленнее, чем электрический ток в компьютере, однако многие задачи наш мозг выполняет гораздо лучше современных компьютеров. В настоящее время компьютеры далеко отстоят от человека в задачах восприятия, языковой коммуникации, семантической памяти, контроля движения и творчества.

Нейробиология концентрирует внимание на связи и взаимодействии нейронов. Рассмотрение таких связей удобно начинать как раз с генерализованного нейрона.

Классические нейроны соединяются при помощи синапсов, которые могут быть возбуждающими и тормозящими.

Активность нейрона опосредована десятками факторов — циклом сна и бодрствования, доступностью предшественников нейромедиаторов и многими другими. Все эти факторы влияют на вероятность прохождения сигнала между двумя нейронами и могут быть представлены в виде синаптических весов. Таким образом, все разнообразие нейронов можно с успехом представить в виде интегративного нейрона, а все способы межнейронной коммуникации — в форме вероятности прохождения сигнала между нейронами.

Существует по меньшей мере шесть основных нейромедиаторов и не менее тридцати «менее важных», в основном являющихся нейропептидами.

Даже дендриты отдельной клетки, по всей видимости, способны к обработке информации. Имеются также данные, что способна принимать участие в обработке информации и нейроглия — поддерживающая ткань нервной системы.

На настоящий момент известно о существовании в некоторых частях взрослого головного мозга стволовых клеток. Образование новых синапсов идет в течение всей жизни; для образования новых синапсов отростки дендритов способны образовываться за несколько минут.

1.3. Обработка информации нейронами.

Искусственные нейронные сети использовались для моделирования многих функций мозга — распознавания элементов изображений, управления роботами, обучения и улучшения функционирования на основе опыта.

Во многих случаях такие сети выполняли задачи лучше, чем компьютерные программы, основанные на логике и математике.

Так же, они помогают нам понять принципы работы реальных нейронных сетей в мозге.

Нейросети помогают нам понять работу нервной системы.

Так искусственные нейросети могут служить моделями для изучения реальных структур в мозге.

Мы ограничимся рассмотрением синапсов только двух типов — возбуждающего (повышающего вероятность прохождения ПД (Потенциал действия) на постсинаптическом нейроне) и тормозящего (понижающего такую вероятность).

Глутамат — наиболее распространенный медиатор в ЦНС — является возбуждающим.

ГАМК (гаммаАминоМасляная кислота) является наиболее распространенным тормозным медиатором.

В нервной системе распространены массивы нейронов, часто именуемые картами.

2.1. Упрощенный случай: рецепторы, пути и контуры.

Каждый сенсорный нерв может содержать несколько параллельных каналов, каждый из которых проводит несколько различающуюся информацию. Так, зрительный тракт имеет канал передачи цвета, называемый мелкоклеточным, и канал передачи формы и размеров объекта, называемый крупноклеточным.

Точно так же соматосенсорные пути сочетают каналы передачи прикосновения, давления, боли и некоторые другие.

Большинство сенсорных волокон оканчиваются в таламусе, где они передают сигнал нейронам, оканчивающимся в коре.

(рис. 3.10 и 3.11)

Таким образом, в большинстве сигнальных путей существуют петли обратной связи — такие, как в нейросети с двумя или более слоями.

С этой точки зрения мозг представляется системой воздействующих друг на друга массивов и сетей.

Массивы нейронов представляет собой двумерную сеть нейронов.

Когда массивы соответствуют пространственной организации той или иной структуры, их называют картами.

В мозге имеет место как временное, так и пространственное кодирование, наряду со многими другими способами кодирования и обработки информации.

Пространственные карты являются наиболее наглядной формой пространственного кодирования.

Таким образом, даже информация от не ассоциированных с пространством органов чувств обрабатывается массивами и картами нейронов.

Наш мозг организует огромные количества входящей информации так, чтобы отражать положение окружающих объектов. Моторная кора, как вы можете догадаться, также выглядит как непропорциональная карта скелетных мышц тела.

Главным вопросом относительно сенсорики на сегодняшний день яляется вопрос о том, как осуществляется высокоуровневая обработка воспринятой информации. И модель нейросетей предоставляет один из возможных ответов.

Мозг постоянно корректирует работу моторных систем на основании сенсорной информации и адаптирует сенсорные системы при помощи моторной активности.

Сенсорные системы можно представить в виде иерархических систем, состоящих из иерархических систем низшего порядка, начиная с рецепторов и постепенно переходя ко все более сложным объектам.

Идет непрерывный обмен информацией между двумя системами в процессе цикла от восприятия до действия, начиная с наинизшего и заканчивая высшими уровнями планирования, мышления и анализа возможного развития событий

(рис. 3.20 Иерархическая система из области архитектуры).

В схеме иерархической системы обработки информации, каждый массив нейронов назван картой; карты существуют на разных уровнях, и сигнал может идти вверх, вниз и к другой карте того же уровня.

При рассмотрении электрической активности десятков миллиардов нейронов мозг поневоле начинает казаться огромным оркестром, а не одним инструментом. За сотни миллионов лет эволюции в мозге появились нейроны с самыми разными видами временного и пространственного кодирования (блок 3.1).

В путях следования информации имеется множество точек выбора, с которых она может быть направлена по нескольким различным путям или быть передана на уровень выше или ниже.

Если вернуться к ступенчатой пирамиде, то такой разветвленный путь похож на путь человека к вершине: он может достигнуть ее прямым или окружным путем.

Зрительная картина мира подвержена постоянным изменениям. Однако мозг тем не менее ведет обработку таких изменений. Животное не может позволить себе не заметить хищника, прячущегося в траве, только потому, что сейчас закат, или потому, что на него падает тень.

Для того чтобы выжить, мы должны были иметь превосходную зрительную систему.

Вот, например, кошка, выслеживающая жертву, может осматривать дерево только одним глазом, тогда как другой глаз остается пассивным. Это приводит к явлению бинокулярной конкуренции — конкуренции между зрительными входами от разных глаз.

Многие животные получают от разных глаз совершенно разные входы — такие животные, как кролики и олени, вообще не имеют участков перекрытия полей зрения, поэтому для них явление бинокулярной конкуренции невозможно.

Мозг постоянно имеет некоторые ожидания относительно встречаемых им внешних условий. Спускаясь по лестнице в темноте, мы ожидаем, что под ногой будет ступенька.

При анализе неоднозначно трактуемых объектов ожидание обусловливает выбор наиболее приемлемого варианта трактовки. Многие слова в языке имеют больше одного значения, поэтому, даже читая это, вы вынуждены иметь дело с неоднозначностями. Мозг опирается не только на входящую информацию — он имеет множество причин выбора того или иного варианта, основанных на предсказании результата и ожидании.

Селективное внимание позволяет нам динамически изменять свои сенсорные предпочтения, а долговременная память увеличивает силу синапсов, ответственных за точное восприятие.

Многие ученые считают, что всю кору целиком, наряду с сопутствующими областями, такими как таламус, следует рассматривать как одну функциональную единицу. Ее часто называют таламокортикальной системой.

Одним из основных свойств поведения животных является способность адаптироваться.

Основным свойством мозга, таким образом, является приспособляемость. Однако какие изменения в структуре самого мозга приводят к такой приспособляемости?

Для этих целей гораздо лучше подходят методы визуализации структур мозга, получившие интенсивное развитие в два прошедших десятилетия.

Хотя большая часть методов визуализации ориентирована на конкретную область, подчеркивая тем самым функциональное разделение, а не интеграцию, были предприняты попытки изучения обучения как системного процесса, включающего глобальные изменения структуры и функций мозга.

Развитие технологии магнитно-резонансной томографии позволило начать изучение изменений структурных компонентов связи — трактов белого вещества — под влиянием обучения.

Как было показано, обучение жонглированию вызывает изменения как в сером, так и в белом веществе мозга.

Данные результаты стали поистине революционными, поскольку долгие годы считалось, что структура мозга неизменна.

Подобные открытия, позволяющие рассматривать мозг как функционально и структурно лабильный орган, вне всякого сомнения являются шагом вперед в нашем понимании процесса обучения.

(4.0. Адаптация и обучение массивов нейронов).

Наиболее известное правило обучения нейросетей, выражаемое в лозунге «neurons that fire together, wire together».

Нейроны, которые срабатывают вместе, соединяются вместе.

(Обучение по Хэббу).

Дональд Хэбб в 1949 г. постулировал, что ассамблеи нейронов способны обучаться благодаря усилению связей между нейронами, активирующимися при стимуляции одновременно.

В основе обучения и памяти лежит эффективность синаптической связи.

Существует множество способов воздействия на эффективность синаптической передачи. Так, два нейрона могут образовать больше синапсов, в самих синапсах может вырабатываться больше нейромедиатора, рецепторы постсинаптического нейрона могут стать эффективнее.

В обучении задействовано два типа изменений; их можно рассматривать как усиленное возбуждение и усиленное торможение.

Долговременное усиление возбудимости одного нейрона называют долговременой потенциацией.

Долговременное понижение же — долговременной депрессией. Оба события имеют место в гиппокампе.

Визуально обучение по Хэббу можно представить в виде утолщения линий между узлами сети, как в простой совокупности клеток.

Модели с третьим, скрытым слоем позволяют нейросети изменять силу соединений.

Классическая трехслойная прямая сеть со скрытым слоем и настраиваемой силой взаимодействий может эффективно обучаться путем сопоставления выхода нейросети с желаемым выходом и подстройки силы соединений для достижения желаемого результата.

Процесс носит название обратного распространения ошибки обучения и во многом подобен отрицательной обратной связи.

Сети такого типа на сегодняшний день наиболее распространены.

В самоорганизующейся аутоассоциативной сети выход ставится в соответствие входу.

Такая стратегия полезна при распознавании паттернов, таких как звук знакомого голоса.

Самоорганизующиеся системы используются в природе для решения многих задач.

Сами организмы и их нервные системы можно рассматривать как самоорганизующиеся системы.

Самоорганизующаяся сеть способна справляться с фундаментальой проблемой распознавания человеческих лиц.

Человек учится реагировать на нормальные, недеформированные лица в очень ранний период жизни и вскоре становится способен отличать знакомые лица от незнакомых.

Задача, решаемая сетью, гораздо проще решаемой человеком, поскольку в модели происходит только формирование цепи.

Сеть способна обучаться предугадывать расположение рта в нижней части рисунка и двух глаз — в верхней.

4.2. Дарвинистский подход в нервной системе: выживают клетки и синапсы, наиболее приспособленные к данной задаче.

Нейральный дарвинизм предполагает, что нейроны развиваются и соединяются друг с другом в соответствии с дарвинистскими принципами.

Селекционизм — эффективный способ адаптации.

Отбор нейронов приводит к образованию долгоживущих нейронных совокупностей, выполняющих задачи адаптации, обучения, разпознавания паттернов и им подобные.

Нейросети отличаются высоким уровнем параллельности (что означает способность производить много разных вычислений одновременно) и распределенности (способности обрабатывать информацию в разных местах с использованием разных механизмов).

Это говорит о большей близости нейросетей к биологическим способам обработки информации.

Нейронные сети довольно просто перевести на язык математических выражений.

Нейросети способны обрабатывать символьную информацию, а символы могут быть переведены в нейросети.

Обучение нейросети проявляются по мере распознавания сетью входа и отсечения ею альтернативных вариантов.

Существует масса способов координации работы нейронов. Одним из них являются масштабные ритмы, координирующие работу больших групп нейронов так же, как дирижер координирует игру симфонического оркестра. Если большая масса нейронов активируется одновременно, то их активность, как правило, суммируется.

Современные данные говорят в пользу гораздо более быстрых гамма- и тета-корреляций на тех частотах, на которых мозг выполняет большую часть этой работы.

Ритмы энцефалограммы на сегодняшний день считаются сигнализирующими о разных, но скоординированных процессах.

К примеру, гамма-ритмы высокой плотности считаются ассоциированными с осознанным зрительным восприятием и процессом решения простой проблемы эквивалентности.

Альфа-ритмы традиционно ассоциируются с отсутствием задач, требующих фокусировки внимания, тогда как тета-ритмы, как полагают на настоящий момент, контролируют гиппокампальную область и фронтальную кору в процессе обращения к долговременной памяти. Дельта-ритмы — сигналы глубокого сна — группируют быструю нейрональную активность с целью консолидации полученных данных.

При проектировании самолета инженеры закладывают в его конструкцию некоторую функциональную избыточность на случай выхода из строя важнейших систем. Так, если откажет один двигатель, то большая часть самолетов будет способна дотянуть до взлетно-посадочной полосы на оставшихся.

Человек и животные также обладают определенной функциональной избыточностью.

Мозга это правило тоже касается. Мозг способен работать даже после получения весьма значительных повреждений.

Латеральное торможение является распространенной стратегией для выделения различий между двумя однородными областями сигнала, такими как темные пятна на светлом фоне.

Клетки сенсорных систем имеют так называемые рецептивные поля, настроенные на определенные параметры входа, такие как ориентация линии, цвет, движение, форма и тип объекта. При повышении уровня визуальных карт их разрешение падает, в то время как способность к интеграции информации растет.

Поскольку сенсорные и моторные системы изучают отдельно друг от друга, мозг представляется нам огромным сенсомоторным органом, делающим возможным непрерывные высокоуровневые взаимодействия между входом и выходом.

Пространственные массивы нейронов делают возможным пространственное кодирование, однако не стоит забывать о том, что в нервной системе имеется еще и кодирование временное. Основные ритмы энцефалограммы, как полагают, отвечают за временную координацию активности больших групп нейронов.

Последние исследования позволяют предположить, что гамма-ритм ответственен за интеграцию сенсорной информации осознанные ощущения, а тета-ритм — за извлечение информации из долговременной памяти.

Контрольные задания к этой главе.

1. Опишите основные функции интегративного нейрона.

2. Что такое латеральное торможение и какую роль оно играет в сенсорных системах?

3. Каким образом сенсорные и моторные системы можно рассматривать в форме иерархических структур?

4. Опишите роль двусторонних взаимодействий в функционировании мозга.

5. Что такое дарвинистский подход к нервной системе и какие аспекты процессов, происходящих в мозге, он затрагивает?

6. Назовите три наиболее общих свойства сенсорных систем.

Источник