Huygens principle in brain tissues

Принцип Гюйгенса в тканях мозга

Законы распространения волн в разных средах изучаются оптикой. Но большинство нейробиологов не считает, что распространение волн нервного возбуждения в тканях мозга имеет какое-то отношение к оптике. А в действительности?

Если отвлечься от пучков нервных волокон, функционально сходных со стекловолоконными пучками эндоскопов, то для остальных нервных тканей, чтобы ответить на вопрос, имеют ли волны нервного возбуждения отношение к оптике, нужно, прежде всего, выяснить, выполняется ли фундаментальный для оптики принцип Гюйгенса. По нему, каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн, а их огибающая представляет волновую поверхность в следующий момент времени. Именно выполнение принципа Гюйгенса позволяет описывать распространение волн в данной среде законами оптики.

Нервные системы простейших животных (червей, улиток и др.) обычно содержат до тысячи сравнительно крупных нейронов, каждый из которых связан с другими единицами или десятками синапсов. Это структуры с ярко выраженной дискретностью, их

It can also explain the fact that the most refined perfume is a mixture of great number of various odorants. This mixture specifies the distribution of excited olfactory cells, and the brain, while analyzing the smell, somehow evaluates the “beauty” of the image presented.

The laws of wave propagation in different media are covered by such field of science as optics. However, most neurobiologists do not believe propagation of nervous excitation waves in the brain tissues has any relation to optics. What do we have actually?

If we distract ourselves from the nerve fiber bundles, which are functionally similar to the glass-optical beams of endoscope, then, for the rest neural tissues, to answer the question of whether the nerve excitation waves have any relation to optics, we must first clarify if the Huygens principle, being the fundamental for optics, is fulfilled. According to this principle, each point of the medium, which the perturbation has reached, becomes a source of the secondary waves, their envelope representing a wave surface at the next moment of time. Adhearing to Huygens principle enables one to describe the propagation of waves in the given medium by the optic laws.

The nervous systems of primitive organisms (worms, snails, etc.) usually contain up to thousand of comparatively large neurons, each connected with other units or tens of synapses. These are structures with pronounced discreteness. Their properties vary very rapidly when

свойства скачкообразно меняются при переходе от точки к точке. Поэтому здесь нельзя говорить о равномерном распространении фронта волны, о соблюдении принципа Гюйгенса. Между тем, мировоззрение многих нейробиологов формировалось как раз под влиянием свойств таких нервных систем.

Совсем другими параметрами обладают нейроны мозга. Они более мелки и в миллиарды раз многочисленнее. Вопреки малым размерам, каждый связан с окружением в тысячи раз большим количеством синапсов. Составить схему соединений даже небольшого числа нейронов мозга практически невозможно. Не случайно, та часть серого вещества мозга, что расположена между телами клеток, и содержит отростки нейронов вперемежку с клетками глии, названа нейропилем. По-гречески рilos означает „войлок”. „Система, по-видимому, организует связи таким образом, что локально – в пределах маленького участка – она, грубо говоря, соединяет всё со всем. ” [Крик, 1984]

Значит, вместе с мозгом, Природа „изобрела” серое вещество, приспособленное для соблюдения принципа Гюйгенса при распространении волн нервного возбуждения. Резкое увеличение количества нейронов, уменьшение их размеров, увеличение числа синапсов – не только повысили диффузность связей, но и вообще снизили роль дискретности. В частности, снизилось влияние дискретности задержек сигнала на синаптических переходах. Разговор о схеме соединений нейронов применительно ко многим отделам мозга стал бессмысленным. Эти свойства мозга даже несколько поколебали общую идеологию подхода нейробиологов к нервной системе.

„Стало очевидным, что многие передатчики... действуют на значительном удалении от мест их секреции, так что морфологически опознаваемый синапс между двумя нейронами не является обязательным местом их взаимодействия.” [Рейхардт, 1987]

В данном случае передатчиками названы нейромедиаторы, т.е. вещества, диффундирующие сквозь синаптическую мембрану и передающие сигнал возбуждения или торможения от одного нейрона другому.

passing from one point to another. Therefore, here we cannot speak about uniform distribution of the wave front, about Huygens principle. Meanwhile, the outlook of many neurobiologists was formed under the influence of the properties of such nervous systems.

The neurons of the brain possess quite different parameters. They are smaller and billions times greater in number. Despite small size, each neuron is connected with surrounding by thousands times greater number of synapses. In fact, it is impossible to make up an interconnection scheme of even a small number of brain neurons. Naturally, the part of grey matter of the brain, which is located between the cellular bodies and contains the appendices of neurons alternate with neuroglia cells, is called the neuropile. The Greek word рilos means “felting”.

So, the Nature has “invented”, along with the brain, the grey matter that is intended for adhearing to Huygens principle during the distribution of the nervous excitation waves. Rapid increase of the number of neurons, decrease of their size and increase of the number of synapses not only improved the diffuseness of connections but also reduced the role of discreteness. Specifically, the impact of signal delay discreteness during synaptic transitions was reduced. Talking about the neuron connection scheme, as applied to various parts of the brain, has become useless. Those properties of the brain even shook the general ideology of neurobiologists’ approach to the nervous system.

„Там, где прежней теории виделся „химический укол”, наносимый индивидуальным медиатором в собственном ограниченном отсеке межклеточного пространства („синаптическая щель”), теперь нашему взгляду открывается не разделённая на отсеки микросреда, содержащая смесь эндогенных агентов, секретируемых разными клеточными источниками; состав этой среды мгновенно и непрерывно меняется, влияя на разнообразные параметры нейрональной активности...” [Сахаров, 1987]

Именно оттого, что в мозге стали использоваться оптические законы, эволюция „великой промежуточной сети” позвоночных направилась к уменьшению дискретности и повышению диффузности нейронной структуры, ко всё лучшему выполнению принципа Гюйгенса. (Великой промежуточной сетью [Наута, Фейртаг, 1984] нейробиологи называют всю совокупность появившихся по ходу эволюции нейронов, включенных между сенсорными нейронами и мотонейронами.) Интересно, что мозг, как управляющую систему, основанную на оптических принципах, живая материя изобрела дважды, в независимых линиях развития – у позвоночных и у головоногих моллюсков.

По существу, нейробиологи только теперь начинают по-настоящему понимать степень сложности клеточной структуры мозга. Это иллюстрируют оценки количества нейронов в мозге человека. Тридцать лет назад полагали, что мозг содержит около 10 миллиардов нейронов. Пятнадцать лет назад эта величина оценивалась уже в 100 миллиардов. А сегодня говорят о 1000 миллиардов нейронов в мозге человека. За тридцать лет – изменение оценки в сто раз. Более точная цифра и сегодня не известна.

Итак, при переходе от нервных систем простейших животных к мозгу Природа изобрела два новых вида нервной ткани – серое вещество и пучки нервных волокон (в том числе, белое вещество мозга). Оба этих вида тканей явно ориентированы на использование их в нейрооптической системе – серое вещество обеспечивает соблюдение принципа Гюйгенса при распространении волн нервного возбуждения, а белое вещество обеспечивает топологическую точность

“Where the former theory has been affected by a “chemical prick” made by an individual mediator in its own limited section of the intercellular space (“synaptic slot”), we can now see the microenvironment that is not divided into sections and contains the mixture of endogenic agents being secreted by different cellular sources; the composition of this mixture varies instantly and continuously thus affecting the different parameters of neural activity …” [Sakharov, 1987]

Due to the fact that the brain had started using the optic laws, the evolution of the “great intermediate network” of vertebrates directed towards reducing the discreteness and increasing the diffuseness of the neural structure, that is towards stricter adhearing to the Huygens principle. (By the great intermediate network the neurobiologists mean the whole family of neurons that have appeared in the course of evolution and are inserted between sensor neurons and motoneurons.) It is an amazing fact that it was two times when the living matter “invented” the brain, as being the control system based on the optic principles, - in vertebrates and in cephalopoda.

Actually, the neurobiologists have started to understand really the complexity of the brain cellular structure only now. They provide the estimates of the number of neurons in the human brain. 30 years ago the brain was thought to have up to 10 billions of neurons. 15 years ago it amounted to 100 billions. And today we can speak about 1000 billions of neurons in the human brain. During thirty years the estimate has changed as much as 100 times. During thirty years the estimate has changed as much as 100 times. So far the more precise number is not known.

So, when switching from nervous systems of protozoa to the brain, the Nature has produced two new types of the nerve tissue – grey matter and nerve fiber bundles (including the white matter of the brain). Both types of tissues are explicitly intended for being used in the neurooptic system, since the grey matter enables adhearing to the Huygens principle during the distribution of the nervous excitation waves and the white matter ensures the topological exactness of image transfer (despite any obstacles

переноса образов (вопреки любым препятствиям на пути переноса).

Дата добавления: 2015-06-04