Межнейрона взаємодія і нейронные мережі

Відповідно до системного підходу об'єднання нейронів можуть здобувати властивості, яких немає в окремих нервових клітин. Тому об'єднання нейронів і їхніх властивостей представляють особливий предмет аналізу в нейро- і психофізіології. Так, наприклад, американський дослідник В. Маункасл пропонує в якості своєрідної "одиниці" нейрофізіологічного забезпечення інформаційного процесу "елементарний модуль обробки інформації" - колонку нейронів, налаштованих на певний параметр сигналу. Сукупність мініколонок, у кожній з яких представлений певний параметр сигналу, утворять макроколонку, що відповідає певній ділянці зовнішнього простору. Таким чином, для кожної ділянки зовнішнього світу здійснюється паралельний аналіз властивостей представленого там сигналу.

Передбачувана роль міжнейронної взаємодії настільки значна, що лягла в основу уявлення про особливу функціональну одиницю - "дендрон", що представляє морфофункциональную основу генерації "психона" - елементарної одиниці психічного. Те й інше утворення носить гіпотетичний характер, і становить інтерес остільки, оскільки відображає потребу дослідників мозку у виділенні порівнюваних фізіологічних і психологічних одиниць аналізу.

Нейронна мережа. Важливою одиницею функціональної активності ЦНС вважається елементарна нейронная мережа. Принципи кооперативної поведінки нейронів у мережі припускають, що сукупність взаємозалежних елементів має великі можливості функціональних перебудов, тобто на рівні нейронної мережі відбувається не тільки перетворення вхідної інформації, але й оптимізація міжнейронних відносин, що приводить до реалізації необхідних функцій інформаційно-керуючої системи. Одним з перших ідею мережного принципу в організації нейронів висунув Д. Хебб, пізніше з'явилися роботи В. Мак-Каллоха і К. Пітса, присвячені мережам формальних нейронів.

У вітчизняній психофізіології початковим етапом у вивченні нервових мереж були роботи Г.И. Полякова (1965), що з еволюційних позицій охарактеризував принципи виникнення і функціонування нейронної мережі, виділивши елементарний координаційний пристрій як прототип мережної "одиниці".

Типи мереж. В даний час мережний принцип у забезпеченні процесів переробки інформації одержує усе більше поширення. В основі цього напрямку лежать ідеї про мережі нейроноподібних елементів, об'єднання яких породжує нові системні (емерджентні) якості, не властиві окремим елементам цієї мережі.

По характеру організації в нервовій системі найчастіше виділяють три типи мереж: ієрархічні, локальні і дивергентні. Перші характеризуються властивостями конвергенції (кілька нейронів одного рівня контактують з меншим числом нейронів іншого рівня) і дивергенції (нейрон нижчого рівня контактує з великим числом клітин вищого рівня). Завдяки цьому інформація може багаторазово фільтруватися і підсилюватися. Найбільш характерний такий тип мереж для сенсорних і рухових шляхів. Сенсорні системи організовані за принципом висхідної ієрархії: інформація надходить від нижчих центрів до вищого. Рухові, навпроти, організовані за принципом низхідної ієрархії: з вищих кіркових центрів команди надходять до виконавчих елементів (м'язів). Ієрархічні мережі забезпечують дуже точну передачу інформації, однак вимикання хоча б однієї ланки (у результаті травми) приводить до порушення роботи всієї мережі.

У локальних мережах потік інформації утримується в межах одного ієрархічного рівня, здійснюючи на нейроні-мішені збудливий чи гальмуючий вплив, що дозволяє модулювати потік інформації. Таким чином, нейрони локальних мереж діють як своєрідні фільтри, відбираючи і зберігаючи потрібну інформацію. Передбачається, що подібні мережі є на всіх рівнях організації мозку. Сполучення локальних мереж з дивергентним чи конвергентним типом передачі може розширювати чи звужувати потік інформації.

Дивергентні мережі характеризуються наявністю нейронів, що, маючи один вхід, на виході утворюють контакти з безліччю інших нейронів. Таким шляхом ці мережі можуть впливати одночасно на активність безлічі елементів, що при цьому можуть бути зв'язані з різними ієрархічними рівнями. Будучи інтегративними за принципом будови, ці мережі, очевидно, виконують централізовану регуляцію і керування динамікою інформаційного процесу.

Векторна психофізіологія. В міру розвитку уявлень про будову і функціонування мереж різного типу спостерігається інтеграція цих досліджень і інформаційного підходу. Прикладом служить векторна психофізіологія - новий напрямок, заснований на уявленнях про векторне кодування інформації в нейронных мережах. Суть векторного кодування в наступному: у нейронных мережах зовнішньому стимулу ставиться у відповідність вектор збудження - комбінація збуджень елементів нейронного ансамблю. При цьому ансамблем вважається група нейронів із загальним входом, що конвергують на одному чи декількох нейронах більш високого рівня. Розходження між сигналами в нервовій системі кодується абсолютною величиною різниці тих векторів збудження, що ці стимули генерують.

Інтенсивний розвиток мережні моделі переробки інформації одержали в нейрокібернетиці і так званому коннекціонізмі. Високий рівень абстракції і використання формального математичного апарату в цих моделях далеко не завжди спирається на реальний фізіологічний зміст і в цілому змінює площину аналізу, переводячи його із системи фізіологічних понять у систему умовних одиниць з умовними властивостями. Проте, дослідження в цій області просуваються дуже успішно і породжують такі моделі як, наприклад, нейроінтелект.

1.4.5. Системний підхід до проблеми "мозок - психіка"

Незважаючи на те, що дослідження проблеми "мозок - психіка" з позицій системного підходу стали реальністю в другій половині ХХ в., ідеї про функціональну єдність мозку і його зв'язку з поведінкою і психікою почали виникати більш 100 років тому.

Історія проблеми. Уже наприкінці 19 століття, в основному в руслі клінічної неврології, стали висловлюватися ідеї про єдність функціонування частин мозку і зв'язку цієї єдності з розумовими можливостями людини. Так, наприклад, Ф. Голтс (1881) стверджував, що місце розташування розуму варто шукати у всіх частинах кори, точніше, у всіх відділах мозку. Широку популярність одержали проведені на початку століття експерименти К. Лешлі. Його концепція про структурну організацію поведінки ґрунтувалася на дослідах, виконаних на пацюках, в останні роки на мавпах, а також на клінічних спостереженнях. Він непохитно дотримувався погляду, що в корі мозку немає такого поля, яке б не приймало участі в здійсненні "інтелектуальних функцій".

У вітчизняній науці одним з перших висловив ідею системної організації мозку Л.С. Виготський. Ще в 1934 р. він писав:"...функція мозку як цілого... являє собою продукт інтегральної діяльності розчленованих, диференційованих і знову ієрархічно об'єднаних між собою функцій окремих ділянок мозку..." і далі: "специфічна функція кожної особливої міжцентральної системи полягає насамперед у забезпеченні зовсім нової продуктивної, а не тільки гальмуючої або збудливої діяльності нижчих центрів, форми свідомої діяльності."

Варто підкреслити, що ці ідеї були висловлені в той час, коли в дослідженнях мозку безроздільно панувала павлівска фізіологія, зосереджена на вивченні функціональних одиниць поведінки - рефлексів і їхньої мозкової організації. Суттєво просунувшись в пізнанні щодо елементарних процесів і функцій, фізіологія зіштовхнулася, однак, з надзвичайними труднощями, звернувшись до складних форм поведінки. Проте аспект цілісності функціонування мозку "відлякував" більшість фізіологів своїм нібито "надприродним" змістом, нав'язаним ідеями гештальтизму. У результаті, як відзначає Н.Ю. Беленков (1980) цілісність мозку як предмет дослідження надовго випала з поля зору фізіології.

Мозок як система систем. Широке впровадження системного підходу у фізіологію змінило методологію і логіку наукових досліджень. В даний час більшість нейрофізіологів вважає, що мозок являє собою "надсистему", що складається з безлічі систем і мереж взаємозалежних нервових клітин. Причому виділяється два рівні існування систем (мікрорівень і макрорівень) і відповідно два типи систем: мікро- і макросистеми.

Мікрорівень представляє сукупність популяцій нервових клітин, що здійснюють відносно елементарні функції. Прикладом мікросистеми може служити нейронный модуль - вертикально організований стовпчик нейронів і їхніх відростків. Однакові за своїми функціями модулі поєднуються в макросистеми. Мікросистеми можна співставити з окремими структурними утвореннями мозку. Наприклад, окремі зони кори великих півкуль, що мають різну клітинну будівлю представляють різні макросистеми.

Методологія системного підходу знаходить своє відображення в конкретних експериментальних дослідженнях. Відповідно вивчаються системи двох типів: мікро- і макро-.

У першому випадку предметом аналізу є інтеграція і консолідація систем стосовно нейрональних елементів з урахуванням специфічності тих функцій, що виконують нейрони в системному забезпеченні поведінки і психіки.

В другому випадку проводиться дослідження інтегративної діяльності на рівні мозку як цілого з урахуванням топографічного фактора, тобто специфіки участі окремих структур мозку в забезпеченні тих чи інших психічних функцій і процесів. Тут головне місце займає реєстрація біоелектричної активності окремих структур мозку й оцінка взаємодії активності різних відділів мозку за допомогою спеціальних показників.

Незалежно від того, який рівень представляє система: мікро- чи макро-, єдиним є загальний принцип взаємодії: при об'єднанні (консолідації) елементів у систему виникають якості чи властивості, не властиві окремим елементам. У консолідованій системі зміна одного з елементів спричиняє зміни всіх інших елементів, а отже, і системи в цілому.

Системна психофізіологія. Отже, згідно з одним з головних принципів системного підходу -принципом ЦІЛІСНОСТІ - властивості цілого мозку не зводяться до властивостей окремих його частин (нейронів, відділів мозку чи функціональних систем). У зв'язку з цим постає задача зв'язати окремі структури, чи елементи мозку в системні організації і визначити нові властивості цих організацій у порівнянні з їх структурними компонентами. Таким чином, застосування системного підходу диктує необхідність зіставляти психічні явища не з частковими нейрофізіологічними процесами, а з їх цілісною структурною організацією.

Новий експериментальний напрямок - системна психофізіологія ставить своєю задачею вивчення систем і міжсистемних стосунків, що складають і забезпечують психіку і поведінку людини. Основна парадигма, у контексті якої ведуться дослідження цього напрямку (причому переважно на тваринах) зв'язана з вивченням активної пристосувальної поведінки, а теорія функціональної системи служить їх теоретичною основою.

Словник термінів

1. паралелізм

2. редукціонізм

3. функціональна система

4. зворотна аферентація

5. акцептор результатів дії

6. корелятивна психофізіологія

7. емерджентний

Дата добавления: 2015-05-09