Как найти нейроны вещества

Была ли эта статья полезной?

Продолжаем наш разговор, посвящённый строению атома. В предыдущей серии мы узнали, как находить число протонов и электронов в атоме. Оно равно, как мы помним, порядковому номеру химического элемента в таблице Менделеева.

Таким образом, чтобы полностью определить состав атома, нам сталось ответить на вопрос, сколько в составе того или иного атома нейтронов?

Для этого вспомним, что частицами, входящими в состав атома и обладающими хоть сколько-нибудь значительной массой, являются протоны и нейтроны. Их масса условно принята равна одному. Это значит, что:

масса всего атома, так называемая атомная масса, есть сумма входящих в его состав протонов и нейтронов.

Число протонов мы знаем из таблицы Менделеева, оно равно порядковому номеру химического элемента, которому принадлежит атом. Там же, в таблице Менделеева, мы найдём и атомную массу! Так атомная масса серы (S) равна 32.

Итак, если нам известна атомная масса (её мы легко найдём в таблице Менделеева), если нам так же известно число протонов в атоме (оно равно порядковому номеру химического элемента в таблице), если атомная масса – это сумма протонов и нейтронов, можем ли мы найти число нейтронов? Ну, конечно, число нейтронов равно разнице между атомной массой и порядковым номером элемента:

То есть, число нейтронов в атоме кальция

будет: N = 40 (атомная масса) – 20 (порядковый номер) = 20.

Таким образом вторая серия нашего последовательного изложения химии подошла к концу. Подписывайтесь на канал. В следующей серии мы узнаем, почему атомная масса в таблице Менделеева имеет дробное значение.

Как определить число нейтронов

Атом химического элемента состоит из атомного ядра и электронов. В состав атомного ядра входят два типа частиц – протоны и нейтроны. Почти вся масса атома сосредоточена в ядре, так как протоны и нейтроны намного тяжелее электронов.

Вам понадобится

• атомный номер элемента, изотопы

Инструкция

В отличие от протонов, нейтроны не имеют электрического заряда, то есть их электрический заряд равен нулю. Поэтому, зная атомный номер элемента, нельзя однозначно сказать, сколько нейтронов содержится в его ядре. К примеру в ядре атома углерода всегда содержится 6 протонов, однако протонов в нем может быть 6 и 7. Разновидности ядер химического элемента с разным количеством нейтронов в ядре называются изотопами этого элемента. Изотопы могут быть как природными, так и полученными искусственно.

Атомные ядра обозначаются буквенным символом химического элемента из таблицы Менделеева. Справа от символа вверху и внизу стоят два числа. Верхнее число A – это массовое число атома, A = Z+N, где Z – заряд ядра (число протонов),а N – число нейтронов. Нижнее число – это Z – заряд ядра. Такая запись дает информацию о количестве нейтронов в ядре. Очевидно, оно равно N = A-Z.

У разных изотопов одного химического элемента число A меняется, что отражено в записи этого изотопа. Определенные изотопы имеют свои оригинальные названия. Например, обычное ядро водорода не имеет нейтронов и имеет один протон. Изотоп водорода дейтерий имеет один нейтрон (A = 2), а изотоп тритий – два нейтрона (A = 3).

Зависимость числа нейтронов от числа протонов отражена на N-Z диаграмме атомных ядер. Устойчивость ядер зависит от отношения числа нейтронов и числа протонов. Ядра легких нуклидов наиболее устойчивы при N/Z = 1, то есть при равенстве количества нейтронов и протонов. С ростом массового числа область устойчивости сдвигается к величинам N/Z>1, достигая величины N/Z ~ 1,5 для наиболее тяжелых ядер.

Видео по теме

Источники:

• Строение атомного ядра

Войти на сайт

или

Забыли пароль?
Еще не зарегистрированы?

Что находится внутри атомного ядра?

Большая часть массы атома сосредоточена в его ядре. Ядро атома окружено чрезвычайно маленькими и легкими электронами, которые вращаются в атоме, но не нарушают значительного пустого пространства между ядром и границами атома. Чтобы получить четкое изображение ядра атома, нужно сначала знать, что происходит с электронами и остальной частью атома.

Электроны вокруг ядра атома

Электроны имеют свои специфические орбиты, а именно: S, P, D, F, а затем G. Каждая орбита представляет собой сферическую оболочку, и имена выводятся из спектра испускаемого света из этих оболочек, описывающих характер спектральных линий. Другой факт об электронах заключается в том, что они находятся везде, что позволяют квантовые законы.

Электроны вращаются вокруг плотного ядра атома в облаках отрицательного заряда.

В атоме углерода, например, шесть электронов. Два из них занимают сферическую оболочку в центре атома, а остальные четыре распределены в смеси сферических оболочек и трехлопастных оболочек. Таким образом, ядро ​​окружено чем-то вроде облаков отрицательного заряда, а электроны находятся везде, где только могут быть, но не заполняют пустые пространства. Электроны помогают создавать молекулы.

Электронные связи между атомами

Если два атома углерода подходят достаточно близко, их ближайшие электроны взаимодействуют и образуют одинарную связь. Эта связь в химии называется сигма-связью. Затем облака изгибаются и соединяются, создавая «Пи-связь», которая выглядит как деревья, соединяющие верхние ветви над улицей.

Связи становятся все более и более сложными в различных ситуациях, и это выходит за рамки данной статьи. Тем не менее одна вещь остается постоянной во всех этих связях: электроны все еще рассеяны в относительно огромном облаке вокруг очень плотного ядра, и там все еще много пустого пространства. Электрические поля и электронные облака удерживают эту огромную пустоту вместе. Что же тогда находится внутри ядра атома?

Протоны и нейтроны

Внутри протонов и нейтронов

В 1950-х годах наука поняла, что протоны и нейтроны состоят из более мелких частиц. Несколько лет спустя, в 1964 году, американский физик Мюррей Гелл-Манн представил кварки. Он не знал, сколько типов кварков существует, но сегодня открыто по крайней мере шесть кварков: верхний (символ u α ), нижний (символ d α ), странный (символ s α ), очарованный (символ c α ), красивый (символ b α ) и истинный (символ t α ).

Если рассматривать протон как баскетбольный мяч, каждый кварк будет меньше песчинки. Следовательно, большая часть протона и нейтрона также является пустым пространством, в то время как кварки перемещаются со скоростью, близкой к скорости света.

Маленькие ядра удерживают частицы настолько малы, что наше самое мощное и самое точное оборудование не может их видеть. В то же время они обладают самой сильной силой, когда-либо существовавшей в пустых пространствах и сверхмалых частицах, называемых кварками.

Общие вопросы об атомном ядре

Вопрос: Что находится в ядре атома?
Ядро атома состоит из протонов и нейтронов. Протоны несут положительный заряд, равный электронам, вращающимся вокруг, а нейтроны не несут заряда, но весят столько же, сколько протоны.

Вопрос: Какова функция ядра атома?
Ядро атома создает силу, необходимую для того, чтобы держать атом вместе и в порядке. Это самая тяжелая часть атома и очень плотная. Размер ядра по отношению ко всему атому подобен мячу на футбольном поле.

Вопрос: Ядро атома нейтрально?
Ядро атома несет положительный электрический заряд. Однако атом нейтрален, поскольку количество электронов с отрицательным зарядом равно количеству протонов в ядре.

Источник

Протоны и нейтроны: столпотворение внутри материи

В центре каждого атома находится ядро, крохотный набор частиц под названием протоны и нейтроны. В этой статье мы изучим природу протонов и нейтронов, состоящих из частиц ещё мельче размером – кварков, глюонов и антикварков. (Глюоны, как и фотоны, являются античастицами сами себе). Кварки и глюоны, насколько нам известно, могут быть по-настоящему элементарными (неделимыми и не состоящими из чего-то мельче размером). Но к ним позже.

Как ни удивительно, у протонов и нейтронов масса почти одинаковая – с точностью до процента:

Поскольку они так похожи, и поскольку из этих частиц состоят ядра, протоны и нейтроны часто называют нуклонами.

Протоны идентифицировали и описали примерно в 1920 году (хотя открыты они были раньше; ядро атома водорода – это просто отдельный протон), а нейтроны нашли где-то в 1933-м. То, что протоны и нейтроны так похожи друг на друга, поняли почти сразу. Но то, что у них есть измеримый размер, сравнимый с размером ядра (примерно в 100 000 раз меньше атома по радиусу), не знали до 1954-го. То, что они состоит из кварков, антикварков и глюонов, постепенно понимали с середины 1960-х до середины 1970-х. К концу 70-х и началу 80-х наше понимание протонов, нейтронов, и того, из чего они состоят, по большей части устаканилось, и с тех пор остаётся неизменным.

Нуклоны описать гораздо труднее, чем атомы или ядра. Не сказать, что атомы в принципе простые, но по крайней мере, можно сказать, не раздумывая, что атом гелия состоит из двух электронов, находящихся на орбите вокруг крохотного ядра гелия; а ядро гелия – достаточно простая группа из двух нейтронов и двух протонов. А вот с нуклонами всё уже не так просто. Я уже писал в статье «Что такое протон, и что у него внутри?», что атом похож на элегантный менуэт, а нуклон – на дикую вечеринку.

Сложность протона и нейтрона, судя по всему, всамделишные, и не проистекают из неполных физических знаний. У нас есть уравнения, используемые для описания кварков, антикварков и глюонов, а также сильных ядерных взаимодействий, происходящих между ними. Эти уравнения называются КХД, от «квантовая хромодинамика». Точность уравнений можно проверять различными способами, включая измерение количества появляющихся на Большом адронном коллайдере частиц. Подставляя уравнения КХД в компьютер и запуская вычисления свойств протонов и нейтронов, и других сходных частиц (с общим названием «адроны»), мы получаем предсказания свойств этих частиц, хорошо приближающиеся к наблюдениям, сделанным в реальном мире. Поэтому у нас есть основания полагать, что уравнения КХД не врут, и что наше знание протона и нейтрона основано на верных уравнениях. Но просто иметь правильные уравнения недостаточно, ибо:

Из-за внутренней сложности нуклонов вам, читатель, придётся сделать выбор: как много вы хотите узнать по поводу описанной сложности? Неважно, как далеко вы зайдёте, удовлетворения это вам, скорее всего, не принесёт: чем больше вы будете узнавать, тем понятнее вам будет становиться тема, но итоговый ответ останется тем же – протон и нейтрон очень сложны. Я могу предложить вам три уровня понимания, с увеличением детализации; вы же можете остановиться после любого уровня и перейти на другие темы, или можете погружаться до последнего. По поводу каждого уровня возникают вопросы, ответы на которые я могу частично дать в следующем, но новые ответы вызывают новые вопросы. В итоге – как я делаю в профессиональных обсуждениях с коллегами и продвинутыми студентами – я могу лишь отослать вас к данным полученным в реальных экспериментах, к различным влиятельным теоретическим аргументам, и компьютерным симуляциям.

Первый уровень понимания

Из чего состоят протоны и нейтроны?

Рис. 1: чрезмерно упрощённая версия протонов, состоящих только из двух верхних кварков и одного нижнего, и нейтронов, состоящих только из двух нижних кварков и одного верхнего

Чтобы упростить дело, во многих книгах, статьях и на сайтах указано, что протоны состоят из трёх кварков (двух верхних и одно нижнего) и рисуют нечто вроде рис. 1. Нейтрон такой же, только состоящий из одного верхнего и двух нижних кварков. Это простое изображение иллюстрирует то, во что верили некоторые учёные, в основном в 1960-х. Но вскоре стало понятно, что эта точка зрения чрезмерно упрощена до такой степени, что уже не является корректной.

Из более искушённых источников информации вы узнаете, что протоны состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), удерживаемых вместе глюонами – и там может появиться картинка, похожая на рис. 2, где глюоны нарисованы в виде пружинок или ниток, удерживающих кварки. Нейтроны такие же, только с одним верхним кварком и двумя нижними.

Рис. 2: улучшение рис. 1 за счёт акцента на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне

Не такой уж плохой способ описания нуклонов, поскольку он делает акцент на важной роли сильного ядерного взаимодействия, удерживающего кварки в протоне за счёт глюонов (точно так же, как с электромагнитным взаимодействием связан фотон, частица, из которых состоит свет). Но это тоже сбивает с толку, поскольку на самом деле не объясняет, что такое глюоны и что они делают.

Есть причины двигаться дальше и описывать вещи так, как я делал в других статьях: протон состоит из трёх кварков (двух верхних и одного нижнего), кучи глюонов и горы пар кварк-антикварк (в основном это верхние и нижние кварки, но есть и несколько странных). Все они летают туда и сюда с очень большой скоростью (приближаясь к скорости света); весь этот набор удерживается при помощи сильного ядерного взаимодействия. Я продемонстрировал это на рис. 3. Нейтроны опять такие же, но с одним верхним и двумя нижними кварками; изменивший принадлежность кварк указан стрелкой.

Рис. 3: более реалистичное, хотя всё равно неидеальное изображение протонов и нейтронов

Эти кварки, антикварки и глюоны не только бешено носятся туда-сюда, но и сталкиваются друг с другом, и превращаются друг в друга через такие процессы, как аннигиляция частиц (в которой кварк и антикварк одного типа превращаются в два глюона, или наоборот) или поглощение и испускание глюона (в котором могут столкнуться кварк и глюон и породить кварк и два глюона, или наоборот).

Что у этих трёх описаний общего:

В некотором смысле рис. 2 пытается устранить разницу между рис. 1 и рис. 3. Он упрощает рис. 3, удаляя множество пар кварк-антикварк, которые, в принципе, можно назвать эфемерными, поскольку они постоянно возникают и исчезают, и не являются необходимыми. Но она производит впечатление того, что глюоны в нуклонах являются непосредственной частью сильного ядерного взаимодействия, удерживающего протоны. И она не объясняет, откуда берётся масса протона.

У рис. 1 есть другой недостаток, кроме узких рамок протона и нейтрона. Она не объясняет некоторые свойства других адронов, к примеру, пиона и ро-мезона. Те же проблемы есть и у рис. 2.

Эти ограничения и привели к тому, что своим студентам и на моём сайте, я даю картинку с рис. 3. Но хочу предупредить, что и у неё есть множество ограничений, которые я рассмотрю позже.

Масса протона и масса нейтрона

Поскольку массы протона и нейтрона так похожи, и поскольку протон и нейтрон отличаются только заменой верхнего кварка нижним, кажется вероятным, что их массы обеспечиваются одним и тем же способом, исходят из одного источника, и их разница заключается в небольшом отличии между верхним и нижним кварками. Но три приведённых рисунка говорят о наличии трёх очень разных взглядов на происхождение массы протона.

Рис. 2 менее понятен. Какая часть массы протона существует благодаря глюонам? Но, в принципе, из рисунка следует, что большая часть массы протона всё равно происходит от массы кварков, как на рис. 1.

Рис. 3 отражает более тонкий подход к тому, как на самом деле появляется масса протона (как мы можем проверить напрямую через компьютерные вычисления протона, и не напрямую с использованием других математических методов). Он сильно отличается от идей, представленных на рис. 1 и 2, и оказывается не таким простым.

Полезно классифицировать взносы в энергию массы протона по трём группам:

А) Энергия массы (энергия покоя) содержащихся в нём кварков и антикварков (глюоны, безмассовые частицы, никакого вклада не делают).
Б) Энергия движения (кинетическая энергия) кварков, антикварков и глюонов.
В) Энергия взаимодействия (энергия связи или потенциальная энергия), хранящаяся в сильном ядерном взаимодействии (точнее, в глюонных полях), удерживающих протон.

Рис. 3 говорит о том, что частицы внутри протона двигаются с большой скоростью, и что в нём полно безмассовых глюонов, поэтому вклад Б) больше А). Обычно, в большинстве физических систем Б) и В) оказываются сравнимыми, при этом В) часто отрицательно. Так что энергия массы протона (и нейтрона) в основном получается из комбинации Б) и В), а А) вносит малую долю. Поэтому массы протона и нейтрона появляются в основном не из-за масс содержащихся в них частиц, а из-за энергий движения этих частиц и энергии их взаимодействия, связанной с глюонными полями, порождающими силы, удерживающие протон. В большинстве других знакомых нам систем баланс энергий распределён по-другому. К примеру, в атомах и в Солнечной системе доминирует А), а Б) и В) получаются гораздо меньше, и сравнимы по величине.

Подводя итоги, укажем, что:

Обратите внимание, что это означает (противореча рис. 1), что отношение массы нижнего кварка к верхнему не приближается к единице! Масса нижнего кварка как минимум в два раза превышает массу верхнего. Причина того, что массы нейтрона и протона так похожи, не в том, что похожи массы верхнего и нижнего кварков, а в том, что массы верхнего и нижнего кварков очень малы – и разница между ними мала, по отношению к массам протона и нейтрона. Вспомните, что для превращения протона в нейтрон, вам нужно просто заменить один из его верхних кварков на нижний (рис. 3). Этой замены достаточно для того, чтобы сделать нейтрон немного тяжелее протона, и поменять его заряд с +е на 0.

Кстати, тот факт, что различные частицы внутри протона сталкиваются друг с другом, и постоянно появляются и исчезают, не влияет на обсуждаемые нами вещи – энергия сохраняется в любом столкновении. Энергия массы и энергия движения кварков и глюонов может меняться, как и энергия их взаимодействия, но общая энергия протона не меняется, хотя всё внутри него постоянно меняется. Так что масса протона остаётся постоянной, несмотря на его внутренний вихрь.

На этом моменте можно остановиться и впитать полученную информацию. Поразительно! Практически вся масса, содержащаяся в обычной материи, происходит из массы нуклонов в атомах. И большая часть этой массы происходит из хаоса, присущего протону и нейтрону – из энергии движения кварков, глюонов и антикварков в нуклонах, и из энергии работы сильных ядерных взаимодействий, удерживающих нуклон в целом состоянии. Да: наша планета, наши тела, наше дыхание являются результатом такого тихого, и, до недавнего времени, невообразимого столпотворения.

Источник

Госдума хочет контролировать нейроны и нейтроны

Популяризация науки вдруг стала скандальной темой. Виной тому проект поправок в закон «Об образовании», который Госдума приняла во втором чтении 9 марта.

Казалось бы, спорить особо и не о чем. Ну, есть всякие лектории, научно-популярные блоги, фестивали и прочие милые занятия. Ну, рассказывают люди о черных дырах, семантике кино и травоядных динозаврах. Сложно найти тут политическую угрозу. Но в конце прошлого года группа депутатов Госдумы предложила внести в закон поправки, регламентирующие просветительскую деятельность. Об общественной реакции на них может свидетельствовать, например, количество подписей, собранных под петицией против этого проекта. Создал ее астрофизик Сергей Попов, специалист по нейтронным звездам, пульсарам, магнитарам и прочим далеким от широкой публики сущностям. Под этим документом подписалось больше 230 000 человек. Вряд ли в нашем обществе такой высокий интерес к астрофизике. Или возьмем РАН. Структура осторожная и консервативная. И тут жесткое заявление: «Президиум РАН призывает Государственную думу не принимать этот законопроект». Так в чем же дело?

Первая проблема – определение того, что считать просветительской деятельностью. В проекте говорится: «Просветительская деятельность – осуществляемая вне рамок образовательных программ деятельность, направленная на распространение знаний, умений, навыков, ценностных установок, опыта и компетенции в целях интеллектуального, духовно-нравственного, творческого, физического и (или) профессионального развития человека ». Под это определение может попасть что угодно – выступление ветерана перед школьниками, фильм про Марс, лекция о жуках. При желании границы можно понимать настолько широко, что просветительской деятельностью окажутся занятия по фитнесу или беседа с соседом о ремонте канализации. Закон предписывает регулировать и контролировать эту непонятную сущность на государственном уровне. А поскольку сделать это невозможно, то популяризаторы подозревают, что этот контроль будет происходить хаотично и произвольно.

Непонятно и то, что именно нужно контролировать. В поправках сказано: «Не допускается использование просветительской деятельности для разжигания социальной, расовой, национальной или религиозной розни, для агитации, пропагандирующей исключительность, превосходство либо неполноценность граждан по признаку социальной, расовой, национальной, религиозной или языковой принадлежности, их отношения к религии, в том числе посредством сообщения недостоверных сведений об исторических, о национальных, религиозных и культурных традициях народов ». Но большая часть из перечисленного и без того запрещена уже существующими законами. А то, что не запрещено, неясно, как проверять.

Допустим, профессор возвращается из этнографической экспедиции на Ямал и рассказывает о своих открытиях во время публичной лекции. Кто будет выявлять в его рассказе «недостоверные сведения»? Или кто проверит лекцию лауреата Нобелевской премии, который согласится выступить на российском фестивале науки? Кстати, иностранный нобелевский лауреат с точки зрения поправок особенно криминален – в случае их принятия просветителям придется согласовывать с Минобрнауки и Минпросвещения вообще любую работу с иностранными учеными.

Больше всего популяризаторов науки смутило то, что в поправках очень много сказано про контроль и ограничение. И ничего про поддержку. Как написано в обосновании законопроекта, его «реализация не потребует дополнительного финансирования за счет средств федерального бюджета». То есть никаких денег не будет выделено ни на просветительскую деятельность, ни хотя бы на экспертную проверку этой деятельности.

Кажется, инициаторы поправок очень хотели прикрыть еще одну гипотетическую лазейку для оппозиционной крамолы. Но есть риск, что принятие поправок обернется строго обратным эффектом.

Популяризация науки – это область, где много молодых людей, активных, энергичных, инициативных. Пока они никого не трогают, обсуждают нейтроны и нейроны. Если запретить им это делать, то куда может вылиться их энергия и активность? Вполне возможно, она пойдет как раз в ту сторону, против которой так борются авторы поправок. Недаром этот проект начали уже называть «законом о поддержке экстремизма». Если раньше на вопрос, чем вас не устраивает нынешняя власть, молодые интеллектуалы бормотали что-то невнятное, то теперь они могут четко говорить: эта власть запрещает нам рассказывать о науке и культуре.

Пока закон прошел второе чтение в Госдуме. Скорее всего, он будет принят без принципиальных изменений. Что может хоть как-то компенсировать ущерб от него? Есть некоторая надежда, что размытые поправки поместят в разумные рамки подзаконные акты, которые должны принять Минобрнауки и Минпросвещения.

Это может показаться слишком меркантильным, но лично я считаю, что принятие этих поправок – весомый повод потребовать «отступных». Пока значительная часть просветительской активности – это волонтерство или настолько низкие доходы, что их можно тоже считать волонтерством. Почему бы не создать какой-нибудь фонд поддержки просветительских инициатив? Почему бы не направить в него нормальную сумму? Почему бы не сделать этот фонд полностью прозрачным, а оценку заявок не передать экспертам из научного сообщества? В конце концов, деньги куда более убедительный инструмент, чем бумажные запреты.

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