05.07.2013
Важная роль в высшей нервной деятельности человека принадлежит головному мозгу, который располагается в полости черепа и защищен твёрдой, паутинной и мягкой оболочками из соединительной ткани. Анатомически выделяют следующие отделы головного мозга :
· продолговатый;
· задний, состоящий из моста и мозжечка;
· средний;
· промежуточный, который образован таламусом, эпиталамусом, гипоталамусом;
· конечный, состоящий из больших полушарий, укрытых корой.
Продолговатый мозг
Является продолжением спинного, по форме напоминает конус длиной около 2,5 см. В этом отделе находятся оливы, тонкое и клиновидное ядра, перекрёсты нисходящих пирамидных и восходящих путей, ретикулярная формация. Все эти структурные элементы позволяют реализовывать вегетативные, соматические, вкусовые, слуховые, вестибулярные, защитные, пищевые рефлексы поддержания позы. Здесь же локализуются центр слюноотделения, а в структуре ретикулярной формации расположены дыхательный и центр регуляции тонуса сосудов. Важно и то, что именно продолговатый мозг связывает остальные отделы головного мозга со спинным.
Задний мозг
Мост содержит ядра тройничного, лицевого, отводящего и преддверно-улиткового нервов. Также здесь находиться средняя ножка мозжечка, которая обеспечивает морфофункциональные связи его коры с полушариями. Мост выполняет сенсорные, проводниковые, интегративные и двигательные рефлекторные функции.
Мозжечок - это центр координации, произвольных и непроизвольных движений. Он покрыт корой, необходимой для быстрой обработки поступающей информации. Она имеет уникальное нигде не повторяющееся в центральной нервной системе строение и обладает электрической активностью. Подкорковая система представляет собой группу ядерных образований: ядра шатра, шаровидного, пробковидного и зубчатого. Основными структурными элементами мозжечка считаются клетки Пуркинье, проецирующие кожные, слуховые, зрительные, вестибулярные и другие виды сенсорных раздражений. Когда этот отдел не реализует свои непосредственные функции или повреждён, у человека может наблюдаться нарушение двигательных актов, проявляющихся снижением силы мышечного сокращения (астения), потерей способности к длительному сокращению (астазия), непроизвольным повышением или понижением тонуса (дистония), дрожанием кистей и пальцев рук (тремор), расстройством равномерности движений (дисметрия), потерей координации (атаксия).
Средний мозг
Состоит из четверохолмия и ножек. Здесь располагаются красное ядро и чёрное вещество, также ядра глазодвигательного и блокового нервов. Благодаря чему реализуется сенсорная: поступление сюда зрительной и слуховой информации, проводниковая: место прохождения восходящих путей к таламусу, полушариям и мозжечку, а также нисходящих через продолговатый к спинному мозгу и двигательная функции.
Промежуточный мозг
Главными его образованиями являются таламус, гипоталамус, состоящий из свода и эпифиза, таламическая область, включающая эпиталамус и метаталамус. Зрительный бугор или таламус играет важную роль: интеграция и обработка всех сигналов, которые посылают в кору нижележащие отделы головного мозга. Кроме того, это центр инстинктов, эмоций и влечений. Это своеобразная подкорковая «база» всех возможных видов чувствительности. Гипоталамус состоит из серого бугра, воронки с нейрогипофизом и сосцевидных тел. Он является составной частью лимбической системы, отвечающей за организацию эмоционально-мотивационного поведения (половой, пищевой, оборонительный инстинкты) и цикла бодрствование – сон. Существенная роль гипоталамуса состоит в регуляции вегетативных функций: симпатические и парасимпатические эффекты в работе органов тела человека. Он же координирует работу гипофиза, совместно с которым является местом образования биологически активных веществ – энкефалинов и эндорфинов, обладающих обезболивающим морфиноподобным эффектом и способствующих снижению различных видов стресса, боли, негативных эмоций.
Конечный мозг
Считается основным центром высшей нервной деятельности, обуславливает и управляет слаженной работой всех систем нашего организма. Сюда поступает вся информация от внешних и внутренних рецепторов, обрабатывается, анализируется и формируется ответная реакция на раздражение. Каждое полушарие разделяется глубокими бороздами на доли: лобную, височную, теменную, затылочную и островок. Общая площадь коры около 2200 см 2 . Она имеет шестислойное строение и образована пирамидными, звездчатыми и веретенообразными нейронами. Различные её области имеют структурно и функционально различающиеся поля, которые выделяются по количеству и характеру нейронов. Так, образуются сенсорные, моторные и ассоциативные зоны. Каждая зона регулирует соответствующие функции:
Сенсорная отвечает за кожную, болевую, температурную чувствительность, работу зрительной, слуховой, обонятельной и вкусовой систем;
Моторная обеспечивает правильное функционирование всех двигательных актов;
Ассоциативная выполняет анализ разносенсорной информации, здесь формируются сложные элементы сознания.
Все отделы головного мозга своей слаженной работой обеспечивают сознание и поведение человека. Анализ структуры головного мозга позволяет дать метод магнитно-резонансной томографии . Для оценки эффективности их деятельности применяют регистрацию колебаний электрических потенциалов.
Строение головного мозга, как и его функции, были приняты учеными и на данный момент являются основой в познавании всей механики процессов в человеческом организме.
Данная статья посвящена строению и функциям составных частей мозга. В ходе статьи читатель сможет увидеть на рисунке главные зоны этого органа и понять, как они влияют на жизнь человека.
- продолговатый мозг;
- задний мост;
- мозжечок;
- средняя зона;
- промежуточная зона;
- передний мозг;
- полушария;
- кора.
Помимо этого главный орган имеет покрытие из трех оболочек: мягкая, паутинная, твердая. Мягкая выполняет функцию обволакивания, которая защищает каждую клетку и даже заходит в их полости и щели. Следующая оболочка – паутинная, которая представляет собой неплотную ткань. Между мягкой оболочкой и паутинной есть зоны с жидкостью, которые являются защитой органа от повреждений механического характера. Основная их функция аналогична подушкам безопасности в автомобиле. И последняя, твердая оболочка, тесно прилегает к коробке черепа, прочно защищая его от инфицирования и воздействия токсинов.
Корректная и бесперебойная работа головного мозга нуждается в ежедневной подпитки полезными веществами и кислородом, которые поступают в орган вместе с кровью по артериям.
Четыре артерии, доходя до основания ствола, разделяются на две ветви. Позвоночные получили название «базилярные», а сонная артерия направляет кровоток в следующие зоны: лобная, височная и теменная.
Артерии снабжают кровью ствол и мозжечок, заботятся о затылочной части органа центральной нервной системы (ЦНС).
Кора полушарий состоит из нейронов и по функционалу делится на три области: сенсорные, ассоциативные и двигательные зоны. Все эти отделы коры имеют связи, за счёт которых они контролируют и управляют памятью, сознанием и .
Каждое из полушарий отвечает за свой спектр действий и распознавание определённой информации.
Левое полушарие выполняет аналитические функции, отвечает за абстрактное мышление и управление органами правой половины туловища. Что на эту зону мозга возложена миссия обработки информации, полученной справа и формирование сложных действий и узнавание предметов в целом, которое зарождается в левом полушарии мозга.
Правое полушарие, в противовес к левому, отвечает за конкретное мышление и особо развито у творческих личностей. Поэтому эта зона органа отвечает за музыкальный слух и возможность правильно реагировать и оценивать неречевые звуки (шум леса, голоса животных и другие, которые не относятся к речи и голосу человека).
Основные задачи, которые выполняет задний мозг (мост и мозжечок)
Мост передаёт данные из спинного отдела органа ЦНС. Через него формируется связь между разными частями головного мозга. В мосте есть углубление для базилярной артерии. Этот орган состоит из волокон и ядер. Последние из упомянутых управляют работой некоторых типов нервов человека (к примеру, лицевого нерва).
Презентация: "Строение и функции отделов мозга человека"
Что касается мозжечка, то основные его задачи – координация движений, слежка за равновесием и тонусом мышц. Как и другие части ключевого органа центральной нервной системы, мозжечок делится на зоны, каждая из которых отвечает за работу отделов мозга: регуляторные, тактильная и температурная чувствительность и прочие.
Рефлексы, за которые отвечает средний и продолговатый мозг
Отвечает за функционирование мышцы, которые фиксируют тело в определённой позе и рефлексы (ходьба, стояние, бег). Эта часть также включает в свой состав ядра нервов, отвечающие за движение, вращение глазных яблок и выполнение других зрительных функций. Другие типы ядер задействованы в ориентировании, работе слуховых центров, в том числе реагируют на звук.
Что касается усложнённых типов рефлексов, возникающих в системах органов, то за них отвечает продолговатый мозг.
Именно он заставляет человека чихать, кашлять и плакать, в случае, если есть раздражающий фактор или факторы. В список заслуг этой части органа центральной нервной системы включены также сердечнососудистые рефлексы, регулирующие работу сердца, сосудов и артерий. В продолговатом мозге находится пересечение путей, обеспечивающих связь разных зон головного мозга.
Какие задачи возложены на промежуточный мозг?
Эта часть органа ЦНС имеет свой состав и делится из таламуса, гипоталамуса и гипофиза. В таламусе есть ядра, которые отображают данные о состоянии зрительной, слуховой, кожной, мышечной и других систем. Кроме того, подобные составные части выполняют связующую функцию.
Гипоталамус, в свою очередь, принимает участие в организации различных реакций организма (к примеру, эмоциональных). Этот орган регулирует продолжительность сна и бодрствования, координирует водный баланс тела человека и поддерживает сознание.
Каждая часть этого органа взаимодействует не только с другими зонами самого важного органа центральной нервной системы, но и работают друг с другом. Примером может послужить гипоталамус и гипофиз, которые вместе собирают гормоны и поддерживают равновесие солей и воды в теле человека. В женском организме гипофиз регулирует работу матки и молочных желез, а также вырабатывает различные гормоны, которые отвечают за развитие костной ткани, регулируют щитовидную или половые железы как мужчины, так и женщины.
Строение и функции головного мозга тесно переплетаются друг с другом и постоянно работают в симбиозе (сосуществовании) для обеспечения полноценной жизни и развития человека.
Функциональное назначение коры головного мозга
Строение мозга в наглядном виде представлено на рисунке ниже. Ранее мы рассмотрели задачи пяти главных отделов, теперь следует обратить внимание на кору головного мозга.
Кора представляет собой слой на поверхности с толщиной в три сантиметра, которая покрывает всю площадь полушарий. По своему составу они представляет собой нервные клетки, имеющие вертикальное ориентирование. Также в их состав входит эфферентный и афферентные волокна и нейро-глии.
По своему строению, кора также представлена в виде шести зона (или слоев):
- наружная зернистая;
- молекулярная;
- наружно-пирамидальная;
- внутренняя зернистая;
- внутренняя пирамидальная;
- веретеновидные клетки.
За счет вертикальных пучков нервных волокон, нейронов и их отростков, кора обладает вертикальной исчерченностью. Ввиду того, что в коре мозга человека есть более 10 миллиардов нейронов, по площади, занимаемые, примерно 2,2 тысячи см², эта зона мозга имеет ряд важных функций.
К специфическим функциям относят:
- контроль над зрительным и слуховым аппаратом;
- теменная область коры отвечает за осязание и вкусовые рецепторы;
- лобная часть за речевую функцию, двигательный аппарат и мыслительные процессы.
Теперь следует коснуться нейронов коры. Так, серое вещество контактирует с десятком тысяч иных нейронов. Их состав, это нервные волокна и некоторые части объединяют полушария.
Белое же вещество по своему составу имеет три типа волокон:
- Ассоциационные волокна, которые связывают разные области коры на левом и правом полушарии.
- Комиссуральные волокна соединяют полушария.
- Задача проекционных волокон проводить пути анализаторов и осуществлять связь между корой и образованиями, расположенными ниже их.
Также белое вещество расположено между ядрами и корой. У него есть четыре зоны, которые зависят от их месторасположения:
- в извилинах между бороздами;
- наружные части полушарий;
- в составе капсулы;
- в мозолистом «теле».
Данное вещество образуется из нервных волокон, которые связывают извилины и полушария, а также нижние образования.
Серое вещество, находящееся внутри полушарий, имеет второе название «Базальные ганглии». Их функциональное предназначение – передача данных.
Что касается подкорки, то она имеет состав подкорковых ядер. А конечный мозга работает над управлением интеллектуальных процессов.
Как заметил читатель, данная статья несет информационно-теоретический аспект и предназначена для общего понимания из чего состоит головной мозг, какие части его отвечают за ту или иную деятельность человека и, конечно, их функции.
Что является носителем сознания – клетки мозга или электрические сигналы, генерируемые ими? Откуда появляются и куда уходят сознание и личность человека в конце его пути? Эти вопросы волнуют многих.
Человеческий мозг – один из самых загадочных органов человеческого организма. Учёные до сих пор не могут до конца понять механизма мыслительной деятельности, функционирования сознания и подсознания.
Структура
В ходе эволюции вокруг человеческого мозга сформировалась прочная черепная коробка, предохраняющая этот уязвимый к физическим воздействиям орган. Мозг занимает более 90% пространства черепа. Он состоит из трёх основных частей:- большие полушария;
- ствол мозга;
- мозжечок.
Также принято выделять пять разделов головного мозга:
- передний мозг (большие полушария);
- задний мозг (мозжечок, Варолиев мост);
- продолговатый мозг;
- средний мозг;
- промежуточный мозг.
Далее идёт Варолиев мост – это валик из нервных поперечных волокон и серого вещества. Через него проходит главная артерия, питающая мозг. Начинается выше продолговатого мозга и переходит в мозжечок.
Мозжечок состоит из двух маленьких полушарий, соединённых «червячком», а также белого вещества и серого вещества, покрывающего его. Этот отдел соединён парами «ножек» с продолговатым мостом, мозжечком и средним мозгом.
Средний мозг состоит из двух зрительных бугров, и двух слуховых (четверохолмие). От этих бугров отходят нервные волокна, связывающие головной мозг со спинным.
Большие полушария мозга разделены глубокой щелью с мозолистым телом внутри, которое соединяет эти два раздела головного мозга. Каждое полушарие имеет лобную, височную, теменную и затылочную. Полушария покрывает кора головного мозга, в которой и происходят все мыслительные процессы.
Кроме того, выделяют три оболочки головного мозга:
- Твёрдую, представляющую собой надкостницу внутренней поверхности черепа. В этой оболочке сконцентрировано большое количество болевых рецепторов.
- Паутинную, которая тесно прилегает к коре мозга, однако не выстилает извилины. Пространство между ней и твёрдой оболочкой заполнено жидкостью серозного характера, а пространство между ней и корой головного мозга заполнено спинномозговой жидкостью.
- Мягкую, состоящую из системы кровеносных сосудов и соединительной ткани, контактирующую со всей поверхностью вещества мозга, и питающую его.
Функции и задачи
Наш мозг принимает участие в обработке информации, поступающей от всей совокупности рецепторов, управляет движениями человеческого тела, а также осуществляет высшую функцию человеческого организма – мышление. Каждый отдел головного мозга отвечает за выполнение определённых функций.
Продолговатый мозг содержит в себе нервные центры, обеспечивающие нормальную работу защитных рефлексов – чихание, кашель, моргание, рвота. Также он «рулит» дыхательным и глотательным рефлексами, слюновыделением и выделением желудочного сока.
Варолиев мост отвечает за нормальное движение глазных яблок и координацию работы мимических мышц.
Мозжечок осуществляет контроль над согласованностью и координацией движения.
Средний мозг обеспечивает регулятивную функцию по отношению к остроте слуха и чёткости зрения. Этот отдел мозга управляет расширением-сужением зрачка, изменением кривизны хрусталика глаза, отвечает за мышечный тонус глаза. Также он содержит нервные центры рефлекса ориентации в пространстве.
Промежуточный мозг включает в себя:
- Таламус – своеобразный «коммутатор», который обрабатывает и формирует ощущения из информации от температурных, болевых, вибрационных, мышечных, вкусовых, тактильных, слуховых, обонятельных рецепторов, один из подкорковых зрительных центров. Также данный участок отвечает за смену состояний сна и бодрствования в организме.
- Гипоталамус – этот маленький участок выполняет важнейшую задачу контроля сердечного ритма, терморегуляции тела, кровяного давления. Также он «заведует» механизмами эмоционального регулирования – влияет на эндокринную систему с целью выработки необходимых для преодоления стрессовых ситуаций гормонов. Гипоталамус регулирует чувство голода, жажды и насыщения. Это центр удовольствия и сексуальности.
- Гипофиз – этот мозговой придаток вырабатывает гормоны роста полового созревания, развития и функционирования.
- Эпиталамус – включает в себя эпифиз, который осуществляет регуляцию суточных биологических ритмов, выделяя ночью гормоны для нормального засыпания и продолжительного, а днём – для нормального режима бодрствования и активности. Непосредственно с регуляцией режимов сна и бодрствования связан контроль приспосабливания организма к условиям освещённости. Эпифиз способен улавливать колебания световых волн даже через черепную коробку, и реагировать на них выделением необходимых гормонов. Также этот маленький участок мозга регулирует темпы обмена веществ в организме (метаболизма).
Левое большое полушарие мозга – осуществляет контроль над речевыми функциями организма, осуществлением аналитической деятельности, математическими вычислениями. Здесь формируется абстрактное мышление, контролируется движение левых конечностей.
Каждое из полушарий головного мозга делятся на 4 доли:
1. Лобные доли – их можно сравнить со штурманской рубкой корабля. Они обеспечивают поддержание вертикального положения тела человека. Также этот участок ответственен за то, насколько человек активен и любознателен, инициативен и самостоятелен в принятии решений.
В лобных долях происходят процессы критической самооценки. Любые нарушения в лобных долях приводят к проявлению неадекватности в поведении, бессмысленности поступков, апатии и резким сменам настроения. Также «рубка» осуществляет управление поведением человека и контроль над ним – предотвращение девиаций, социально неприемлемых поступков.
Действия произвольного характера, их планирование, освоение навыков и умений также зависят от лобных долей. Здесь часто повторяемые действия доводятся до автоматизма.
В левой (доминантной) доле осуществляется контроль над речью человека, обеспечение абстрактного мышления.
2. Височные доли – это хранилище долговременной . Левая (доминантная) доля хранит информацию о конкретных названиях предметов, связями между ними. Правая доля отвечает за зрительную память и образы.
Немаловажной их функцией является также распознавание речи. Левая доля расшифровывает для сознания смысловую нагрузку сказанных слов, а правая обеспечивает понимание их интонационной окраски и мимического рисунка лица, разъясняя настроение говорящего и степень его доброжелательности к нам.
Височные доли также обеспечивают восприятие обонятельной информации.
3. Теменные доли – участвуют в восприятии болевых ощущений, чувства холода, тепла. Функции правой и левой долей отличаются.
Левая (доминантная) доля обеспечивает процессы синтезирования информационных фрагментов, объединение их в единую систему, позволяет человеку читать и считать. Эта доля отвечает за усвоение определённого алгоритма движений, приводящих к конкретному результату, ощущение отдельных частей собственного тела и чувства его целостности, определения правой и левой сторон.
Правая (недоминантная) доля осуществляет преобразование всей совокупности информации, поступающей из затылочных долей, формируя трёхмерную картину мира, обеспечивает ориентацию в пространстве, определение расстояния между объектами и до них.
4. Затылочные доли – занимаются обработкой зрительной информации. воспринимают объекты окружающего мира как совокупность раздражителей, по-разному отражающих свет на сетчатку. Затылочные доли преобразуют световые сигналы в информацию о цвете, движении и форме объектов, понятные теменным долям, которые и формируют трёхмерные образы в нашем сознании.
Заболевания головного мозга
Перечень заболеваний головного мозга довольно велик, приведём наиболее распространённые и опасные из них.Условно их можно разделить на:
- опухолевые;
- вирусные;
- сосудистые;
- нейродегенеративные.
Опухолевые заболевания. Количество опухолей головного мозга весьма разнообразно. Они могут носить злокачественный и доброкачественный характер. Возникают опухоли в результате сбоя в репродукции клеток, когда клетки должны умирать и уступать место другим. Вместо этого они начинают бесконтрольно и быстро размножаться, вытесняя здоровую ткань.
Симптомами могут являться: приступы тошноты,
Новые информационные технологии
Лекция № 1. Обработка информации в мозге человека
Естественно, что в информационно-коммуникационных технологиях используются подходы и методы искусственного интеллекта, основанные на представлениях об обработке информации в мозге человека.
Например, рассмотрим архитектуру стандартной системы распознавания речи.
Слайд 1
Система автоматического распознавания речи на основе искусственно-интеллектуального подхода к интеграции знаний
Можно заметить, что в ней использованы известные уровни представления лингвистической информации.
Слайд 2
Уровни представления лингвистической и экстралингвистической информации
(снизу вверх)
прагматический
семантический
синтаксический
лексический
морфологический
акустико-фонетический
Откуда берется такое иерархическое представление? Посмотрим, как обрабатывается информация в мозге человека. Для начала посмотрим, как устроен мозг человека.
Слайд 3
Головной мозг человека (На материале Silverthorn Human Physiology: An Integrated Approach, 2nd ed.)
Головной мозг человека включает в свой состав, в том числе: 1. лобную долю, lobus frontalis, 2. таламус, thalamus, 3. гиппокамп, hippocampus, 4. миндалевидное тело, corpus amygdaloideum, 5. гипоталамус, hypothalamus, 6. обонятельную луковицу, bulbus olfactorius.
За обработку специфической (зрительной, слуховой и т.д.) информации в мозге человека отвечают три основные структуры: кора головного мозга, гиппокамп и таламус. В колонках коры хранится информация о событиях, в гиппокампе – информация о связях событий в рамках более крупных событий, а таламус отвечает за управление передачей информации.
Слайды 4, 5
Большие полушария головного мозга человека
Кора больших полушарий головного мозга человека расположена в черепной полости головы. Она занимает поверхности больших полушарий и представляет собой компактно упакованную структуру. Если ее расправить, то она имеет площадь около 1200 квадратных сантиметров. Компактность упаковки коры достигается за счет расположения коры в складках. В результате на поверхности коры появляются извилины, которые отделяются друг от друга бороздами. Извилины собираются в более крупные фрагменты – области коры. Выделяют затылочные, височные, теменные и лобные области, а также – соматосенсорную и моторную кору. Затылочные области отвечают за обработку зрительной информации, височные – за обработку слуховой информации, соматосенсорная кора обрабатывает соматосенсорную и кинестетическую информацию, моторная кора ответственна за управление движениями, теменная кора интегрирует все виды специфической информации в единое целое, а лобные доли отвечают за целенаправленное поведение.
Извилины коры, отделенные друг от друга бороздами.
Складки коры. Строение коры (вертикальный
Слайд 6
Строение коры большого мозга (вертикальный срез):
I - молекулярный, II - наружный зернистый, III - наружный пирамидный, IV - внутренний зернистый, V - ганглиозный (гигантских пирамид), VI – полиморфный.
Слайды 7, 8
Строение пирамидного нейрона
I - тело клетки, II – дендриты, III – аксон, IV - перехваты Ранвье, V - терминальные волокна.
Строение пирамидного нейрона. Связи между областями коры.
Нейроны являются основными функциональными единицами нервной системы. Они получают информацию от рецепторных органов и других нейронов (информация приходит на дендриты), интегрируют и перерабатывают информацию (в дендритах и теле нейрона), и передают ее другим нейронам и исполнительным (эффекторным) органам (с помощью аксона).
Слайд 9
Наружная кора левого полушария головного мозга
Наружная кора левого полушария головного мозга: поля Бродмана. Специально выделены первичные сенсорные области: зрительная - 17, слуховая - 41 и соматосенсорная - 1, 2, 3 (в совокупности их принято называть сенсорной корой), моторная (4) и премоторная (6) кора. (Оксфордский толковый словарь общей медицины, 2002 г.).
Области коры делятся на более мелкие фрагменты – поля (нумерация по Бродману). Информация от сенсорных органов приходит в первичные проекционные зоны зрительной коры (поле 17), слуховой коры (поле 41). Затем поступает во вторичные (поле 18 зрительной коры), и третичные проекционные зоны (поле 19 зрительной коры). Наименее вариативны, а потому, наиболее изучены связи в зрительной коре. То же можно сказать и о соматосенсорной информации. Далее, вся эта информация поступает в теменную кору, в которой формируется единое интегральное представление всей специфической информации, поступающей от всех сенсорных органов. С учетом всей этой информации в моторной коре формируются двигательные реакции, которые в виде управляющих импульсов передаются в спинной мозг и далее мышцам тела.
Слайд 10
Многоуровневая иерархическая структура из процессов обработки информации одной модальности
Многоуровневая иерархическая структура из процессов обработки информации одной модальности, в которой на каждом уровне имеется множество параллельно включенных процессов, связанных с процессами следующего уровня по типу "каждый-с-каждым".
Слайд 10
Левое полушарие головного мозга человека
(речевые зоны)
Все области полушарий головного мозга человека парные, кроме двух, отвечающих за речевые функции: зоны Брока и зоны Вернике. Зона Вернике отвечает за восприятие речи, зона Брока – за артикуляцию речи.
Слайды 11, 12
Связи в слуховом анализаторе
Помимо строения слухового анализатора нам понадобится понимание структуры зрительного анализатора. Дело в том, что модель мира, которая формируется в головном мозге человека, является многомодальной: в ее формировании участвует информация различных модальностей, в первую очередь слуховой, зрительной и соматосенсорной.
Слайды 13, 14
Связи в зрительном анализаторе
В соответствующих полях коры формируются представления о событиях мира данной модальности. В речевой слуховой коре – это представления лингвистических событий, в зрительной коре – представления событий, воспринятых зрительным анализатором. Наиболее понятны такие представления в соматосенсорной и моторной коре. Это органы тела человека в их проекции на соответствующую зону коры.
Слайд 15
Гомункулюс (проекции органов человека на соматосенсорную и моторную кору)
Слайды 16, 17
Колонка коры. Гиперколонка коры
Колонка коры (слева). Здесь: I - пирамидные нейроны, II – их дендриты, III - возвратные коллатерали аксонов пирамид третьего слоя, IV - боковые связи, V – их аксоны, VI-VII - связи из других областей коры, VIII - вставочные нейроны.
Гиперколонка коры (справа). Здесь: I - пирамидные нейроны, II – колонка, а - аксонные пучки, б - специфические афферентные волокна, в - горизонтальная клетка.
Пирамиды третьего слоя коры собираются в объединения, отграниченные друг от друга анатомически – в виде колонок близко расположенных нейронов. Эти объединения также формируются и по функциональному типу: нейроны, входящие в колонку, обрабатывают одну и ту же информацию, приходящую на колонку по одному афферентному волокну из таламуса. Кроме того, они управляются общей горизонтальной клеткой первого слоя коры, как единое образование. В колонках и формируются представления о событиях, составляющие модель мира.
Слайд 18
Нейроподобный элемент с временной суммацией сигналов
Нейроподобный элемент с временной суммацией сигналов. 1. Вход. 2. Возбуждающие синапсы. 3. Тормозные синапсы. 4. Тело клетки (сумматор). 5. Выход. 6. Обобщенный дендрит - многоразрядный регистр сдвига. 7. Управляющий синапс.
Слайд 19
Нейронная сеть из нейроподобных элементов с временной суммацией сигналов
Пирамидные нейроны третьего слоя возбуждаются избирательно в зависимости от комбинации возбуждающих и тормозных синаптических связей на их дендрите. Эта комбинация называется адресом нейрона. Поэтому, если есть некоторое множество таких нейронов с разными адресами, произвольная информационная последовательность, поступающая на вход такого множества, отобразится избирательно в последовательность сработавших пирамидных нейронов, сформирует траекторию. Причем, если во входной последовательности найдется повторяющийся фрагмент, он снова попадет на те нейроны, которые уже были пройдены, так как в нем повторятся их адреса.
Таким образом, пирамидные нейроны в колонках как бы отлавливают повторяющуюся во входной последовательности информацию. Если мы имеем на входе некоторый текст (или квазитекст), в некоторых последовательностях нейронов запомнятся повторяющиеся фрагменты текста. Например, слова.
Если на те же нейроны, после обучения словам, подать информационную последовательность, то после взаимодействия ее с обученными нейронами, на выходе сформируется последовательность, содержащая информацию, связывающую слова в тексте. Старая информация отфильтруется, останется только новая – информация о связях слов.
Слайд 20
Ассоциативное преобразование
Модуль для структурной обработки.
Квадратик – это одна колонка (множество пирамидных нейронов с разными адресами). При обучении нейронов, они запоминают слова, которые повторялись в тексте. Колонка с обученными нейронами начинает извлекать из входной информационной последовательности связи слов в тексте. Последовательность связей может в свою очередь обучить нейроны другой колонки, в результате чего ее нейроны будут хранить информацию о повторяющихся словах более высокого уровня.
Слайд 21
Это колонки, в которых формируются словари разного уровня.
Вспомним иерархию лингвистических событий разного уровня (снизу-вверх).
прагматический
семантический
синтаксический
лексический
морфологический
акустико-фонетический
Действительно, в слуховой коре можно увидеть наличие сформированных словарей разного уровня. Конечно, представление там более дробное и подробное. Но идея иерархической обработки сохраняется. При обучении постепенно заполняются колонки иерархической структуры. Формируются словари, например, флективных морфем, корневых основ, синтаксических групп.
Такой же обработке подвергается любая другая внутренне структурированная входная информация, например, зрительная. Только в этом случае словари будут содержать события зрительной модальности: элементарных представлений, элементов объектов, объектов.
Слайд 22
Однако на этом обработка не заканчивается. Следующий уровень представления информации – семантический. Вспомним про гиппокамп, в котором сохраняется информация о связях событий в рамках сцен.
Слайд 23
Семантический уровень представления
Информация семантического уровня заключается в смысловой сочетаемости событий. Одни события могут находиться рядом, другие не могут, но могут через третьи события. Удобным способом представления семантики являются семантические сети. Здесь ближайшие соседи понятия являются его семантическими признаками.
Слайд 24
Гиппокамп
Гиппокамп. 7 - мозолистое тело, 8 – валик, 9 - птичья шпора, 10 – гиппокамп, 11 – бахромка, 12 – ножка.
Слайд 25
Ламели гиппокампа
Гиппокамп состоит множества ламелей, каждая из которых имеет поле СА 3 , которое моделируется полносвязной сетью Хопфилда.
Слайд 26
Ламель гиппокампа
Гиппокамп получает информацию из энторинальной коры, она поступает в поле СА 3 , которое условно можно назвать весовой матрицей, формирующей в памяти основное представление о пространственно-временном контексте входных событий. Далее она попадает в матрицу поля СА 1 , и наконец, в субикулюм, который вновь направляет
информацию в энторинальную кору.
Слайд 27
Архитектура гиппокампа
Поле СА 3 является ассоциативной памятью, хранящей события в их взаимосвязях.
Слайд 28
Основная структура связей поля СА3, взятая из работы
В качестве модели можно рассмотреть автоассоциативную память на основе сети Хопфилда.
Слайд 29
Пример сетей Хопфилда
Сеть Хопфилда имеет единственный слой нейронов. Все нейроны связаны со всеми. Связи являются направленными.
Нейроны – это понятия, и все это напоминает семантическую сеть.
Слайд 30
Ассоциативная память на основе сети Хопфилда
На основе искусственной нейронной сети Хопфилда можно построить ассоциативную память. Суть ее заключается в следующем. Рассмотрим сетку батута, растянутую на пружинах. Если ее оттянуть в одном или нескольких местах, а потом отпустить, она вернется в свое первоначальное состояние. Если сетку сделать из резиновых жгутов разной толщины, закрепленных на пружинах не только в горизонтальной, но и в вертикальной плоскостях, сетка примет некоторую конфигурацию, зависящую от толщины резиновых жгутов (вес связей в сети Хопфилда) и оттягивающих пружин. Сеть принимает (запоминает) некоторый образ. Если нарушить ее равновесие (оттянуть в каких-то местах), она поколеблется вокруг своего положения равновесия, а потом в него вернется. Так работает ассоциативная память. После того, как в нескольких ее частях запомнились некоторые образы, на вход подается тестовый образ. Сеть сходится к одному из запомненных образов, который более всего похож на входной образ.
Слайд 31
Парадигматическая обработка в левом полушарии (она одинакова для всех модальностей)
семантический уровень (ассоциативная сеть)
синтаксический уровень (ситуации – синтаксические группы для речевой информации)
лексический уровень (объекты – корневые основы)
морфологический уровень (элементы объектов флексии)
базовый уровень (элементарные образы - фонемы)
Слайд 32
Представление зрительной информации в правом и левом полушариях (по В.Д. Глезеру)
В левом полушарии формируются схематические многоуровневые представления. В правом полушарии - индивидуальные двухуровневые.
Слайд 33
Парадигматическая обработка в левом полушарии (на примере обработки зрительной информации)
В левом полушарии многомодальная модель имеет многоуровневую структуру. А образы, в ней представленные, имеет вид схем.
Слайд 34
Парадигматическая обработка в правом полушарии (на примере обработки зрительной информации)
В правом полушарии многомодальная модель имеет двухуровневую структуру. А образы, в ней представленные, индивидуализированы и содержат всю историю обучения.
Слайд 35
Три иерархии представления модели мира: лингвистическая и многомодальная схематическая левого полушария, и многомодальная образная – правого полушария
Три иерархии представления модели мира: лингвистическая и многомодальная схематическая левого полушария, и многомодальная образная – правого полушария. (1) -индивидуальная многомодальная модель мира правого полушария, (2) - социализированная модель мира левого полушария, (3) - подсистема управления синтезом речи, (4) - артикуляторные органы, (5) - периферия слуховой подсистемы, (6) -подсистема распознавания речи.
Здесь есть две иерархии представлений – лингвистической и многомодальной информации – в левом полушарии, и одна многомодальная иерархия – в правом полушарии. Все три иерархии связаны между собой по уровням. Слово связано с объектом который оно представляет. Многомодальная иерархия правого полушария двухуровневая. В ней есть только объекты и их части. Зато – все индивидуальные представители объектов. Все столы, например, которые мы видели за свою жизнь. Многомодальная иерархия левого полушария многоуровневая схематическая. В ней представлены схемы объектов разного уровня. Стол – это четыре ножки и крышка. Лингвистическая иерархия левого полушария содержит все лингвистические уровни.
Над ними надстраивается семантика в виде ассоциативной сети сочетаемости понятий и событий, ими определяемых.
Слайд 36
Структура коммуникационной системы для организации речевого поведения
Распознавание становится возможным, если у коммуникантов имеются одинаковые модели мира. Если один коммуникант знает, из какого набора возможностей ему надо выбирать при распознавании.
Слайд 37
Информационно-кодовая модель коммуникации Шеннона и Уивера
Коммуникация возможна только в том случае, если у коммуникантов имеется одинаковое представление о передаваемых сообщениях (одинаковая модель мира). В этом случае возможно распознавание адресатом информации, которая передается адресантом.
Слайд 38
Под распознаванием понимается вычисление степени совпадения выделенного из преобразованного сигнала, полученного адресатом от адресанта, образа, с таким же образом, находящимся в модели мира адресата
Узнавание – это неполное распознавание
Понимание – это распознавание в пределах всей (или части) модели предметной области
Слайд 39
Правило Байеса
Простейший (и теоретически дающий верхнюю границу точности) способ распознавания – применить правило Байеса.
Адресант передает, а адресат принимает
одно из группы событий
(классов, к которым относятся передаваемые
и получаемые сообщения). Группа событий
обладает следующими свойствами (она -
полная):
1) все события попарно несовместны:
;
;
2) их объединение образует пространство элементарных исходов W: .
Слайд 40
Информационно-кодовая модель коммуникации Шеннона и Уивера,
модифицированная для коммуникационного акта Якобсоном
Ну а дальше – распознавание и синтез речи, анализ текстов, в том числе, контекстные перевод, системы речевого диалога, например в интегральном роботе. То есть целиком, или по частям система коммуникации. Человека с машиной, или машины с человеком.
Слайд 41
Автоматическое распознавание речи
Общая блок-схема ориентированной на задачу системы распознавания речи
Слайд 41
Автоматический синтез речи
Структура текстового процессора
Слайд 42
Автоматический анализ текстов
Здесь (1) блок первичной обработки, (2) лингвистический процессор, (3) семантический процессор. Лингвистический процессор состоит из словарей: (4) слов разделителей, (5) служебных слов, (6) общеупотребимых слов, (7) флективных и (8) корневых морфем. Семантически процессор содержит: (9) блок отсылок в текст, (10) блок формирования семантической сети, (11) блок хранения семантической сети, (12) блок выделения понятий, и (13) блок управления.
Слайд 43
Интегральный робот
Слайд 44
Семантическое представление в интегральном роботе
Мозг — это самый загадочный и таинственный орган человека. Парадоксально, но наши представления о его работе и то, как она самом деле происходит — вещи диаметрально противоположные. Следующие эксперименты и гипотезы приоткроют завесу над некоторыми тайнами функционирования этого «оплота мышления», взять который ученым не удалось по сей день.
1. Усталость — пик креативности
Работа биологических часов — внутренней системы организма, определяющей ритм его жизнедеятельности — имеет непосредственное влияние на повседневную жизнь человека и его продуктивность в целом. Если вы «жаворонок», то разумней всего выполнять сложную аналитическую работу, требующую серьезных умственных затрат, утром или до полудня. Для полуночников, иными словами — «сов» — это вторая половина дня, плавно переходящая в ночь.
С другой стороны, за более креативную работу, требующую активации правого полушария, ученые советуют приниматься, когда организм чувствует физическую и умственную истощенность, а мозгу уже просто не под силу разобраться в доказательстве тернарной проблемы Гольдбаха. Звучит безумно, но если копнуть немного глубже, то рациональное зерно в данной гипотезе найти все же можно. Так или иначе, это объясняет, почему моменты типа «Эврика!» происходят во время езды в общественном транспорте после длинного рабочего дня или, если верить истории, в ванной. :)
При недостатке сил и энергии фильтровать поток информации, анализировать статистические данные, находить и, что самое главное, запоминать причинно-следственные связи крайне тяжело. Когда речь заходит о творчестве, то перечисленные негативные моменты приобретают положительный окрас, так как этот вид умственной работы предполагает генерирование новых идей и нерациональное мышление. Другими словами, уставшая нервная система при работе над творческими проектами более эффективна.
В одной из статей научно-популярного американского журнала Scientific American говорится о том, почему отвлечение играет важную роль в процессе креативного мышления:
«Способность к отвлечению очень часто является источником нестандартных решений и оригинальных мыслей. В эти моменты человек менее сконцентрирован и может воспринимать более широкий спектр информации. Такая «открытость» позволяет оценивать альтернативные варианты решения проблем под новым углом, способствует принятию и созданию совершенно новых свежих идей».
2. Влияние стресса на размеры мозга
Стресс — это один из наиболее сильных факторов, влияющих на нормальное функционирование головного мозга человека. Недавно ученые Йельского университета (Yale University) доказали, что частые переживания и депрессии в буквальном смысле уменьшают размеры центральной части нервной системы организма.
Головной мозг человека не может синхронизировать процессы принятия решений в отношении двух отдельно взятых проблем. Пытаясь сделать два действия в одно и то же время, мы всего лишь истощаем свои когнитивные способности, переключаясь с одной проблемы на другую.
В случае, если человек сконцентрирован на чем-то одном, основную роль играет префронтальная кора, контролирующая все возбуждающие и угнетающие импульсы.
«Передняя (Anterior part) префронтальная кора головного мозга отвечает за формирование целей и намерений. К примеру, желание “Я хочу съесть тот кусочек торта” в виде возбуждающего импульса проходит по нейронной сети, достигает задней префронтальной коры, и вы уже наслаждаетесь лакомством».
4. Короткий сон повышает умственную активность
Прекрасно известно, какое влияние оказывает здоровый сон. Вопрос в том, какое воздействие имеет дремота? Как выяснилось, короткие «отключки» на протяжении дня не менее положительно сказываются на умственной деятельности.
Улучшение памяти
После окончания эксперимента по запоминанию 40 иллюстрированных карточек одна группа участников на протяжении 40 минут спала, тогда как вторая бодрствовала. В результате последующего тестирования выяснилось, что участники, которым выпал шанс немного вздремнуть, запомнили карточки гораздо лучше:
«В это сложно поверить, но выспавшейся группе удалось возобновить в памяти 85% карточек, тогда как остальные вспомнили всего 55%».
Очевидно, что короткий сон помогает нашему центральному компьютеру «кристаллизировать» воспоминания:
«Исследование показывает, что едва сформировавшиеся в гиппокампе воспоминания очень хрупки и могут быть легко стерты из памяти, особенно если потребуется место для новой информации. Короткий сон, как оказалось, “проталкивает” недавно усвоенные данные к новой коре (неокортекс), месту длительного хранения воспоминаний, защищая их таким образом от уничтожения».
Улучшение процесса обучения
В процессе исследования, проведенного профессорами Калифорнийского университета (The University of California), перед группой студентов было поставлено довольно сложное задание, требующее изучения большого количества новой информации. Через два часа после начала эксперимента половина волонтеров, точно так же, как и в случае с карточками, на протяжении короткого периода времени спала.
В конце дня выспавшиеся участники не только качественнее выполнили задание и лучше усвоили материал, но их «вечерняя» продуктивность значительно превышала показатели, полученные перед началом исследования.
Что происходит во время сна?
Несколько недавних исследований показали, что во время сна активность правого полушария значительно повышается, тогда как левое ведет себя предельно тихо. :)
Такое поведение ему совершенно не свойственно, так как у 95% населения планеты левое полушарие является доминирующим. Андрей Медведев, автор данного исследования, сделал весьма забавное сравнение:
«Пока мы спим, правое полушарие беспрестанно хлопочет по дому».
5. Зрение — главный «козырь» сенсорной системы
Несмотря на то, что зрение является одной из пяти составляющих сенсорной системы, способность воспринимать электромагнитное излучение видимого спектра по своей важности значительно превалирует над остальными:
«Через три дня после изучения какого-либо текстового материала, вы вспомните всего 10% прочитанного. Несколько релевантных изображений способны увеличить эту цифру на 55%.
Иллюстрации гораздо эффективнее текста отчасти потому, что чтение само по собе не приносит ожидаемых результатов. Наш мозг воспринимает слова в виде крошечных изображений. Чтобы вникнуть в смысл одного предложения, необходимо больше времени и энергии, нежели для того, чтобы рассмотреть красочную картинку».
На самом деле то, что мы так сильно полагаемся на свою зрительную систему, имеет несколько негативных моментов. Вот один из них:
«Наш мозг вынужден постоянно строить догадки, так как он не имеет никакого понятия, где конкретно находятся видимые предметы. Человек живет в трехмерном пространстве, тогда как свет на сетчатку его глаза падает в двумерной плоскости. Таким образом, мы додумываем все, что не можем увидеть».
На картинке, представленной ниже, показано, какая часть головного мозга отвечает за обработку визуальной информации, и ее взаимодействие с другими областями мозга.
6. Влияние типа личности
Умственная активность экстравертов значительно повышается, когда «выгорает» рискованная сделка или удается провернуть какую-то авантюру. С одной стороны, это просто генетическая предрасположенность общительных и импульсивных людей, а с другой — разные уровни нейромедиатора дофамина в мозгу разных типов личности.
«Когда стало известно, что рискованная сделка оказалась удачной, повышенная активность прослеживалась в двух областях мозга экстравертов: миндалевидном теле (лат. corpus amygdaloidum) и прилежащем ядре (лат. nucleus accumbens)».
Прилежащее ядро является частью дофаминергической системы, вызывающей чувство удовольствия и влияющей на процессы мотивации и обучения. Дофамин, вырабатываемый в мозгу экстравертов, подталкивает их к совершению безумных поступков и дает возможность полностью насладиться происходящими вокруг событиями. Миндалевидное тело, в свою очередь, играет ключевую роль в формировании эмоций и отвечает за обработку возбуждающих и угнетающих импульсов.
Другие исследования продемонстрировали, что самая большая разница между интровертами и экстравертами заключается в процессах обработки различных стимулов, поступающих в мозг. У экстравертов этот путь гораздо короче — возбуждающие факторы двигаются через области, отвечающие за обработку сенсорной информации. У интровертов траектория движения стимулов гораздо сложнее — они проходят через области, связанные с процессами запоминания, планирования и принятия решений.
7. Эффект «полного провала»
Профессор социальной психологии Стэнфордского университета (Stanford University) Эллиот Аронсон (Elliot Aronson) обосновал существование так называемого эффекта «полного провала» (Pratfall Effect). Его суть состоит в том, что допуская ошибки, мы больше нравимся людям.
«Тот, кто никогда не ошибается, менее симпатичен окружающим, нежели тот, кто временами делает глупости. Совершенство создает дистанцию и невидимую ауру недосягаемости. Именно поэтому в выигрыше всегда тот, у кого есть хоть какие-то изъяны.
Эллиот Аронсон провел замечательный эксперимент, подтверждающий его гипотезу. Группе участников было предложено прослушать две аудиозаписи, сделанные во время собеседований. На одной из них было слышно, как человек опрокидывает чашку кофе. Когда участников опросили, какой из претендентов им симпатизировал больше, все проголосовали за неуклюжего соискателя».
8. Медитация — подзарядка для мозга
Медитация полезна не только для улучшения внимания и сохранения спокойствия в течении дня. Различные психофизические упражнения имеют множество положительных эффектов.
Спокойствие
Чем чаще мы медитируем, тем спокойнее становимся. Это утверждение несколько спорное, но довольно интересное. Как выяснилось, причиной тому является разрушение нервных окончаний мозга. Вот как выглядит префронтальная кора до и после 20-минутной медитации:
Во время медитации нервные связи значительно ослабевают. При этом связи между областями мозга, отвечающими за рассуждения и принятия решений, телесными ощущениями и центром страха, наоборот, укрепляются. Поэтому, переживая стрессовые ситуации, мы можем более рационально их оценивать.
Креативность
Исследователи Лейденского университета в Нидерландах, изучая целенаправленную медитацию и медитацию ясного ума, обнаружили, что у участников эксперимента, практикующих стиль целенаправленной медитации, не наблюдалось особых изменений в областях мозга, регулирующих процесс творческого мышления. Те, кто избрал для себя медитацию ясного ума, намного превзошли остальных участников по результатам последующего тестирования.
Память
Кэтрин Кэрр (Catherine Kerr), доктор философских наук, сотрудник Центра Биомедицинского Сканирования MGH (Martinos Center for Biomedical Imaging) и Исследовательского центра Ошера Гарвардской Медицинской Школы, утверждает, что медитация повышает многие умственные способности, в частности — быстрое запоминание материала. Способность абсолютно абстрагироваться от всех отвлекающих факторов позволяет людям, практикующим медитацию, предельно концентрироваться на выполняемой задаче.
9. Упражнения — реорганизация и воспитание силы воли
Конечно, физические упражнения очень полезны для нашего тела, но как насчет работы мозга? Между тренировками и умственной активностью существует точно такая же связь, как между тренировками и положительными эмоциями.
«Регулярная физическая нагрузка может стать причиной значительного улучшения когнитивных способностей человека. В результате проведенного тестирования выяснилось, что люди, активно занимающиеся спортом, в отличие от домоседов, имеют хорошую память, быстро принимают правильные решения, без особого труда концентрируют внимание на выполнении поставленной задачи и умеют выделять причинно-следственные связи».
Если вы только приступили к занятиям, ваш мозг воспримет это событие не иначе как стресс. Учащенное сердцебиение, одышка, головокружение, судороги, мышечная боль и т. д. — все эти симптомы возникают не только в тренажерных залах, но и в более экстремальных жизненных ситуациях. Если ранее вы ощущали что-то подобное, эти неприятные воспоминания обязательно всплывут в памяти.
Чтобы защититься от стресса, во время тренировки мозг вырабатывает белок BDNF (нейротрофический фактор мозга). Вот почему после занятий спортом мы чувствуем себя непринужденными и в конечном итоге даже счастливыми. Кроме того — как защитная реакция в ответ на стресс — увеличивается выработка эндорфинов:
«Эндорфины минимизируют ощущение дискомфорта во время занятий, блокируют боль и способствуют возникновению чувства эйфории».
10. Новая информация замедляет ход времени
Вы когда-нибудь мечтали о том, чтобы время летело не так быстро? Наверное, неоднократно. Зная, каким образом человек воспринимает время, можно искусственно замедлять его ход.
Поглощая огромное количество информации, поступающей от разных органов чувств, наш мозг структурирует данные таким образом, чтобы мы могли беспрепятственно воспользоваться ими в будущем.
«Так как информация, воспринимаемая мозгом, совершенно неупорядоченная, она должна быть реорганизована и усвоена в понятной для нас форме. Несмотря на то, что процесс обработки данных занимает миллисекунды, новая информация усваивается мозгом немного дольше. Таким образом, человеку кажется, что время тянется вечность».
Более странно то, что за восприятие времени отвечают практически все области нервной системы.
Когда человек получает много информации, мозгу необходимо определенное время на ее обработку, и чем дольше длится этот процесс, тем больше замедляется ход времени.
Когда же мы в который раз работаем над до боли знакомым материалом, все происходит с точностью до наоборот — время пролетает практически незаметно, так как особых умственных усилий прикладывать не приходится.
