Передача информации светом в мозг. Научная библиотека - рефераты - принципы передачи информации и структурная организация мозга

При этом, несмотря на доли секунды задержки, реализованный учеными интерфейс мозг-компьютер-интернет-компьютер-мозг, позволил одному человеку управлять движениями другого человека. В связи с тем, что данные работы проводятся под эгидой Исследовательского управления армии США (Army Research Office), совершенно неудивительно, что в последней демонстрации использовалась игра-стрелялка и выполнялась имитация действий с взрывными устройствами. Американские военные видят в такой технологии возможность при помощи прямой информационной передачи обойти языковый барьер и различия в опыте между двумя людьми, которым требуется совместными усилиями выполнить некоторую, возможно опасную, работу.

Первая демонстрация работоспособности этой системы была проведена в прошлом году. А нынешняя демонстрация не только подтвердила работоспособность самой идеи, но и показала некоторые расширенные ее возможности. Как и раньше, один из участников, тот, который дистанционно управляет действиями другого человека, одевает ЭЭГ-датчики, при помощи которых компьютер считывает картины мозговой деятельности определенных участков мозга. Эти данные оцифровываются и передаются через Интернет другому компьютеру, который выполняет всю последовательность в обратном порядке. Второй человек, исполнитель, находится под воздействием магнитного поля, индуцируемого катушкой, направленной в область мозга, которая управляет движениями рук. Человек-оператор может послать команду другому человеку и для этого ему не нужно даже двигаться, ему достаточно только представить себе, будто бы он двигает своей рукой. Человек-исполнитель получает команды извне при помощи технологии трансчерепного магнитного возбуждения и его руки движутся независимо от его сознания.

В своих экспериментах исследователи проверили работоспособность системы на трех парах участников. Оператор и исполнитель всегда находились в двух зданиях, расстояние между которыми было равно 1.5 километрам и между которыми была проложена только одна линия цифровой связи. «Первый оператор был задействован в компьютерной игре, в которой он должен был защитить город от нападения, используя оружие различных типов и сбивая ракеты, запускаемые неприятелем. При этом, он был полностью лишен возможности физического воздействия на игровой процесс. Единственный способ, которым оператор мог играть в игру, заключался в мысленном управлении движениями своих рук и пальцев, - пишут исследователи из Вашингтона. - Точность игры от пары к паре различалась весьма сильно и составляла от 25 до 83 процентов. А самый большой уровень ошибок пришелся на долю ошибки выполнения команды „огонь“».

В настоящее время исследователи получили грант в размере миллиона долларов от фонда W. M. Keck Foundation, благодаря которому они смогут продолжить и расширить область своих исследований. В рамках нового этапа исследователи собираются научиться расшифровывать и передавать более сложные мозговые процессы, расширить количество типов передаваемой информации, что позволит реализовать передачу понятий, мыслей и правил. Благодаря этому, по крайней мере на это рассчитывают ученые, станет возможной реализация в недалеком будущем таких фантастических технологий, при помощи которых, к примеру, блестящие ученые смогут передавать ученикам свои знания напрямую, или виртуозные музыканты или хирурги смогут дистанционно производить операции, действуя руками других людей.

Состав мозга человека включает структурные и функционально взаимосвязанные нейроны. Этот орган млекопитающих в зависимости от вида содержит от 100 миллионов до 100 миллиардов нейронов.

Каждый нейрон млекопитающих состоит из клетки – элементарной единицы строения, дендритов (короткий отросток) и аксона (длинный отросток). Тело элементарной единицы строения содержит ядро и цитоплазму.

Аксон выходит из тела клетки и часто порождает множество мелких ветвей, прежде чем попасть в нервные окончания.

Дендриты простираются от тела нервной клетки и получают сообщения от других единиц нервной системы.

Синапсы – это контакты где один нейрон соединяется с другим. Дендриты покрыты синапсами которые образуются концами аксонов от других структурно-функциональных единиц системы.

Состав мозга человека 86 миллиардов нейронов состоящих на 80 % из воды и потребляющих около 20% кислорода предназначенного для всего организма, хотя его масса всего 2% от массы тела.

Как передаются сигналы в мозгу

Когда единицы функциональной системы нейроны получают и отправляют сообщения, они передают электрические импульсы по их аксонам, которые могут варьироваться по длине от сантиметра до одного метра или более. видно что очень сложен.

Многие аксоны покрыты многослойной миелиновой оболочкой, которая ускоряет передачу электрических сигналов по аксону. Эта оболочка сформирована с помощью специализированных элементарных единиц строения глии. В органе центральной системы, глий называется олигодендроцитами, а в периферической нервной системе называется шванновскими клетками. Мозговой центр содержит, по меньшей мере в десять раз больше глия чем единиц нервной системы. Глия выполняет много функций. Значение глия в транспортировке питательных вещества к нейронам, очищение, переработка части мертвых нейронов.

Чтобы передать сигналы функциональные единицы системы организма любого млекопитающего не работают в одиночку. В нейронной цепи, активность одной элементарной единицы строения напрямую влияет на многие другие. Чтобы разобраться в том, как эти взаимодействия управляют функцией мозга, неврологи изучают связи между нервными клетками и как они передают сигналы в мозгу и меняются с течением времени. Это изучение может привести ученых к лучшему пониманию того, как нервная система развивается, подвергается заболеваниям или травмам, нарушаются естественные ритмы мозговых связей. Благодаря новой технологии формирования изображений ученые теперь способны лучше визуализировать цепи, соединяющие участки и состав мозга человека.

Развитие методов , микроскопии и вычислительной техники позволяют ученым начать составлять карты связей между отдельными нервными клетками у животных лучше, чем когда-либо прежде.

Изучив досконально состав мозга человека ученые могут пролить свет на расстройства мозговой деятельности и ошибки в развитии нервной сети, включая аутизм и шизофрению.

От сетчатки глаза сигналы направляются в центральную часть анализатора по зрительному нерву, состоящему почти из миллиона нервных волокон. На уровне зрительного перекреста около половины волокон переходит в про­тивоположное полушарие головного мозга, оставшаяся половина поступа­ет в то же (ипсилатеральное) полушарие. Первое переключение волокон зрительного нерва происходит в латеральных коленчатых телах таламуса. От­сюда новые волокна направляются через мозг к зрительной коре большого мозга (рис. 5.17).

По сравнению с сетчаткой коленчатое тело являет собой сравнительно простое образование. Здесь есть лишь один синапс, поскольку приходящие волокна зрительного нерва оканчиваются на клетках, которые посылают свои импульсы в кору. Коленчатое тело содержит шесть слоев клеток, каждый из которых получает вход только от одного глаза. Четыре верхних являются мел­коклеточными, два нижних - крупноклеточными, поэтому верхние слои на­зываются парвоцеллюлярными (parvo - мелкий, cellula - клетка, лат.} а ниж­ние - магноцеллюлярными (magnus - большой, лат.) (рис. 5.18).

Эти два типа слоев получают информацию от различных ганглиозных клеток, связанных с различными типами биполярных клеток и рецепторов. Каждая клетка коленчатого тела активируется от рецептивного поля сетчат­ки и имеет “on”- или “ofrV-центры и периферию обратного знака. Однако между клетками коленчатого тела и ганглиозными клетками сетчатки суще-

Рис. 5 17 Передача зрительной информации в мозг. 1- глаз; 2 - сетчатка; 3 - зрительный нерв; 4 - зрительный перекрест; 5 - наружное коленчатое тело, 6 - зрительная радиация; 7 - зрительная кора; 8 - затылочные доли (Линдсней, Норман, 1974)

мозга - физическая основа зрения. Большинство путей, ведущих от сетчатки к зрительной коре в задней части полушарий, проходит через наружное коленчатое тело. На поперечном срезе этой подкорковой структуры видны шесть клеточных слоев, два из которых соответ­ствуют магноцеллюлярным связям (М), а четыре - парвоцеллюлярным (П) (Зеки, 1992).

ствуют различия, из которых наиболее существенным является значитель­но более выраженная способность периферии рецептивного поля клеток ко­ленчатого тела подавлять эффект центра, т. е. они в большей степени спе­циализированы (Хьюбель, 1974).

Нейроны латеральных коленчатых тел посылают свои аксоны в первич­ную зрительную кору, называемую также зоной VI (visual - зрительный, англ.). Первичная зрительная (стриарная) кора состоит из двух параллель­ных и в значительной степени независимых систем - магноцеллюлярной и парвоцеллюлярной, названных соответственно слоям коленчатых тел тала-муса (Zeki, Shopp, 1988). Магноцеллюлярная система встречается у всех мле­копитающих и поэтому имеет более раннее происхождение. Парвоцеллю-лярная система есть только у приматов, что свидетельствует о ее более по­зднем эволюционном происхождении (Carlson, 1992). Магноцеллюлярная система включена в анализ форм, движения и глубины зрительного про­странства. Парвоцеллюлярная система участвует в зрительных функциях, получивших развитие у приматов, таких как цветовое восприятие и точное определение мелких деталей (Merigan, 1989).

Связь коленчатых тел и стриарной коры осуществляется с высокой то­пографической точностью: зона VI фактически содержит “карту” всей по­верхности сетчатки. Поражение любого участка нервного пути, связываю­щего сетчатку с зоной VI, приводит к появлению поля абсолютной слепоты, размеры и положение которого точно соответствуют протяженности и ло-

кализации повреждения в зоне VI. С. Хеншен назвал эту зону корковой сет­чаткой (Зеки, 1992).

Волокна, идущие от латеральных коленчатых тел, контактируют с клет­ками четвертого слоя коры. Отсюда информация, в конечном счете, распро­страняется во все слои. Клетки третьего и пятого слоев коры посылают свои аксоны в более глубокие структуры мозга. Большинство связей между клет­ками стриарной коры идут перпендикулярно поверхности, боковые связи преимущественно короткие. Это позволяет предположить наличие локаль­ности при обработке информации в этой области.

Участок сетчатки, который воздействует на простую клетку коры (рецеп­тивное поле клетки) подобно полям нейронов сетчатки и коленчатых тел, разделен на “on”- и “offr-области. Однако эти поля далеки от правильной окружности. В типичном случае рецептивное поле состоит из очень длин­ной и узкой “оп”-области, к которой примыкают с двух сторон более ши­рокие “о!Г”-участки (Хьюбель, 1974).

Здесьтакже речь будет идти об информации. Но чтобы не запутаться в разных интерпретациях одно-го и того же слова, давайте сразу четко определимся, о какой информации будет идти речьИтак, мозг способен фиксировать только связи. Этот вид информации (связи) мозг запоминает. Процесс, с помощью которого он это делает, называется процессом «Память».Но мы привыкли называть информацией и то, что мозг запоминать не умеет. Это реально сущест-вующие объекты окружающего нас мира. Это все то, что нам приходится учить в школе или институте.Именно об этой информации мы сейчас поговорим. Разберемся, как мозг реагирует на реальные объекты, на текстовую информацию, и на совершенно особенный вид информации — знаковую (или точную) информацию.Перечисленные виды информации — реальные объекты, тексты, телефонные номера (и подобные им сведения) мозг запоминать не умеет. Но опыт подсказывает, что все-таки мы может кое-что вспомнить из выше перечисленного. Как же происходит запоминание и воспроизведение таких сведений?

1. ОБРАЗЫ 2. ТЕКСТОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ 3. ЗНАКОВАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Сначала проанализируем реакцию мозга на реально существующие объекты. Как мозг ухитряется воспроизводить их, если никто из исследователей не может обнаружить зрительных образов в головном мозге? Природа поступила очень хитро. Любой реально существующий объект имеет внутренние связи. Мозг способен эти связи выявлять и запоминать. Вы никогда не задумывались, а зачем, собственно, челове-ку несколько органов чувств? Почему мы умеем улавливать запахи, ощущать вкус, видеть предмет и слы-шать его (если он испускает звуки)?Реально существующий объект излучает в пространство физические и химические сигналы. Это от-раженный от него или испускаемый им свет, это всякие вибрации воздуха, объект может иметь вкус, и мо-лекулы этого объекта могут отлетать далеко от него. Если бы у человека был всего один орган чувств, то система памяти мозга, фиксирующая связи, не смогла бы ничего запомнить. Но одно общее информацион-ное поле от объекта разбивается нашим мозгом на несколько составляющих. Информация поступает в мозг по разным каналам восприятия. Зрительный анализатор передает очертания объекта (пусть это будет ябло-ко). Слуховой анализатор воспринимает звуки, издаваемые объектом: когда вы раскусываете яблоко разда-ется характерный хруст. Вкусовой анализатор воспринимает вкус. Нос за несколько метров способен уло-вить молекулы, испускаемые спелыми яблоками. Часть информации об объекте может поступить в мозг че-рез руки (осязание).В результате разбиения информации об объекте на части, мозг получает возможность образовать связи. И эти связи образуются естественным путем. Все, что находится в сознании в один момент времени — связывается, то есть запоминается. В результате, пока мы изучаем яблоко, пока рассматриваем его, крутим в руках, пробуем на вкус, мозг выделяет разные характеристики этого природного объекта и автоматически образует связи между ними.Ни одна из характеристик сама по себе не запоминается. Запоминаются только связи. В дальнейшем, когда наш нос унюхает запах яблок — то есть в мозг поступит стимул — сработают ранее образованные связи и мозг создаст в нашем сознании другие характеристики данного объекта. Мы вспомним целостный образ яблока.Механизм естественного запоминания настолько очевиден, что даже странно об этом говорить. Такой способ запоминания дает нам возможность УЗНАВАТЬ объекты окружающего нас мира лишь по малой части информации о них.