Естественный нейрон. Описание принципа функционирования. Нервная система человека как трехступенчатая схема.

Нервную систему человека можно представить себе как трехступенча­тую систему, показанную на рис. 2.1. Основной ги­потезой при создании модели будет предположение, что относящееся к нашему рассмотрению функциони­рование нервной системы полностью определяется прохождением электрических импульсов по клеткам, которые мы называем нейронами. Для нашего рассмо­трения возможных механизмов нервной деятельности будет вполне достаточно импульсной активности ней­ронов.

Рис. 2.1. Нервная система человека как трехступенчатая система.

В свете принятой нами основной гипотезы мы бу­дем рассматривать нервную систему как обширную сеть нейронов, имеющую сложную структуру и исклю­чительно сложные внутренние соединения. Эта сеть воспринимает информацию от большого числа рецеп­торов: палочек и колбочек глаз, тактильных рецепто­ров кожи, температурных рецепторов и т. д., которые преобразуют возбуждения, поступающие из внешней среды или возникающие внутри тела человека, во мно­жество электрических импульсов, посредством кото­рых информация передается в сеть. Эти импульсы взаимодействуют с чрезвычайно сложными «карти­нами» импульсов, которые циркулировали до этого в нейронах (установлено, что в нервной сети челове­ческого мозга содержится порядка 10¹⁰ нейронов!), в результате чего на выходе сети появляются импульсы, управляющие эффекторами, например мускулами или железами. В этом и выражается реакция нашего орга­низма на раздражение. Таким образом, нервную си­стему человека можно условно разделить на три ос­новные подсистемы: рецепторы, нервная сеть и эффекторы.

Мы не собираемся создавать модели рецепто­ров или эффекторов; нас интересует модель нервной сети. Для этого необходимо предварительно создать модель нейрона. Нейроны нашей нервной системы весьма разнообразны по форме, но мы ограничимся рассмотрением нейронов, имеющих вид, показанный на рис. 2.2.

Нейрон, как и все клетки, имеет ядро, содержа­щееся в соме или теле клетки.

Рис. 2.2. Схематическое изображение нейрона.

Дендриты можно представлять себе в виде чрезвычайно разветвленного куста, каждое волокно которого тоньше аксона, а сам аксон представляет собой длинный и тонкий цилиндр, передающий импульсы от сомы к другим клеткам. Дендрит проводит нервный импульс с периферии к телу клетки. Аксон переходит в густое древовидное разветвление, ветви которого заканчиваются маленькими пластин­ками (бляшками), которые почти касаются дендритов нейрона. Такой участок близкого контакта называется синапсом.. Синапсы—образования, в которых происходит контакт нервных клеток друг с другом. По синапсу возбуждение пере­дается только в одном направлении (как правило, лишь с окон­чаний аксона одного нейрона на дендриты другого). Достигающие синапса импульсы вызы­вают переменный электрический сигнал в дендритах, примыкающих к данному синапсу. Передача сигналов осуществляется иногда электрическими им­пульсами, иногда путем химической диффузии. Ней­рон выдает импульс (поступающий на аксон) лишь в том случае, когда на концевые бляшки, находящиеся у его дендритов, поступает достаточное число им­пульсов в очень малый промежуток времени, назы­ваемый периодом латентного накопления. В действи­тельности эти импульсы могут либо способствовать, либо препятствовать возбуждению нейрона и соответ­ственно называются возбуждающими или тормозящими. Условие выдачи импульса нейроном заключается в том, чтобы возбуждение превосходило торможе­ние на некоторую критическую величину, называемую порогом нейрона. Если каждому возбуждающему синапсу приписать подходящий положительный вес, а каждому тормозящему синапсу — подходящий отри­цательный вес, то можно сказать, что нейрон возбуждается тогда и только тогда, когда сумма весов синапсов, на которые поступают, импульсы, в период латентного накопления превышает порог нейрона. (Утверждение 2.1)

Предположение о таком простом линейном сум­мировании опять-таки является очень сильным упро­щением. Далее, порог представляет собой параметр, меняющийся во времени; однако это изменение редко рассматривается при моделировании формального нейрона и не учитывается в моделях, которые будут рассматриваться ниже. Читателю, готовому впасть в отчаяние при виде все возрастающего разрыва с дей­ствительностью, можно рекомендовать для поднятия духа перечитать предисловие.

Между периодом латентного накопления и прохож­дением соответствующего импульса по аксону и кон­цевым бляшкам существует небольшое время задерж­ки, так что поступление импульсов на дендриты ней­рона повлечет появление импульса на его аксоне лишь через некоторое время.

После того как по аксону прошел импульс, насту­пает период рефрактерности, в течение которого аксон не способен передавать импульсы. Следовательно, за период времени, равный одному периоду рефрактер­ности, по аксону может быть передан не более чем один импульс. Выбрав в качестве единицы измерения времени период рефрактерности нейрона, можно опи­сать поведение нейрона, указав для каждого интер­вала времени, когда нейрон возбужден, а когда не возбужден.

Таким образом, мы ввели упрощающее предполо­жение (еще более удаляющее нас от действитель­ности), что наш нейрон может возбуждаться только в моменты времени t= 1, 2, 3, 4,... при наличии под­ходящих условий. Наконец, введем еще одно упро­щающее предположение: будем использовать единую дискретную шкалу времени для всех нейронов сети, т. е. будем считать, что любое возбуждение нашей сети полностью определяется картиной возбуждения отдельных нейронов в дискретные моменты времени t =1, 2, 3,... В связи с этим мы полагаем, что выдача импульса на аксон в данный момент времени полно­стью определяется возбуждением синапсических входов этого нейрона в предыдущий момент времени.