Биологический нейрон
Элементом клеточной структуры мозга является нервная клетка - нейрон. Нейрон в своем строении имеет много общих черт с другими клетками биоткани: тело нейрона окружено плазматической мембраной, внутри которой находится цитоплазма, ядро и другие составляющие клетки. Однако нервная клетка существенно отличается от иных по своему функциональному назначению. Нейрон выполняет прием, элементарное преобразование и дальнейшую передачу информации другим нейронам. Информация переносится в виде импульсов нервной активности, имеющих электрохимическую природу.
Нейроны крайне разнообразны по форме, которая зависит от их местонахождения в нервной системе и особенностей функционирования. На рисунке приведена схема строения "типичного" нейрона. Тело клетки содержит множество ветвящихся отростков двух типов. Отростки первого типа, называемые дендритами за их сходство с кроной раскидистого дерева, служат в качестве входных каналов для нервных импульсов от других нейронов. Эти импульсы поступают в сому или тело клетки размером от 3 до 100 микрон, вызывая ее специфическое возбуждение, которое затем распространяется по выводному отростку второго типа - аксону. Длина аксонов обычно заметно превосходит размеры дендритов, в отдельных случаях достигая десятков сантиметров и даже метров. Гигантский аксон кальмара имеет толщину около миллиметра, и именно наблюдение за ним послужило выяснению механизма передачи нервных импульсов между нейронами.
Взаимодействующие между собой посредством передачи через отростки возбуждений нейроны формируют нейронные сети.
Общее число нейронов в центральной нервной системе человека достигает 1010 - 1011, при этом каждая нервная клетка связана в среднем с 103 - 104 других нейронов. Установлено, что в головном мозге совокупность нейронов в объеме масштаба 1 мм3 формирует относительно независимую локальную сеть, несущую определенную функциональную нагрузку.
Таким образом, биологическая нейронная сеть, составляющая мозг человека, содержит 1014 - 1015 взаимосвязей.
Каждый нейрон может состоять в двух состояниях – возбуждённом и невозбуждённом. В возбуждённое состояние нейрон переходит под воздействием электрических сигналов, поступающих к нему от других нейронов, когда эти воздействия становятся достаточно большими. В возбуждённом состоянии нейрон сам посылает электрический сигнал другим соединённым с ним нейронам.
Нейроны взаимодействуют между собой посредством коротких серий импульсов продолжительностью несколько микросекунд. Частота импульсов составляет от нескольких единиц до сотен герц (1 герц – это частота периодического процесса, при которой за время 1 секунда происходит один цикл процесса), что в миллион раз медленнее, чем в современных электронных схемах. Тем не менее, такие сложные операции, как распознавание зрительного образа, человек выполняет за несколько сотен микросекунд (1 микросекунда – 10-6 секунд), то есть вся операция распознавания требует около 100 последовательных нейронных операций. Видимо, при распознавании образов человеческий мозг запускает параллельные программы, каждая из которых имеет не более 100 шагов. Сделанный вывод известен под названием «правило 100 шагов».
Известно, что общее количество нейронов в течение жизни человека практически не меняется, т.е. мозг ребёнка и мозг взрослого имеют приблизительно одинаковое количество нейронов, мозг учёного и мозг неграмотного человека – тоже. Отличие состоит в силе синаптических связей, т.е. в величине электрических проводимостей нервных волокон, соединяющих нейроны. На этом основании была высказана гипотеза о том, что все наши знания, эмоции, мысли, вся информация, хранящаяся в человеческом мозге, закодирована в виде сил синаптических связей. Если учесть, что синаптических связей в человеческом мозге 1014 - 1015 , то именно такой размер имеет матрица кодов хранимой информации. Процесс обучения, который продолжается всю жизнь человека, это непрерывная корректировка содержимого этой матрицы.
Структура основных типов нейронных сетей генетически предопределена. При этом исследования в области сравнительной нейроанатомии говорят о том, что по фундаментальному плану строения мозг очень мало изменился в процессе эволюции. Однако определённые нейронные структуры демонстрируют свойства изменчивости, обуславливающие их адаптацию к конкретным условиям функционирования.
Специфическая изменчивость нейронных сетей и свойств отдельных нейронов лежит в основе их способности к обучению - адаптации к условиям функционирования - при неизменности в целом их морфологической структуры. Следует заметить, однако, что рассмотрение изменчивости и обучаемости малых групп нейронов не позволяет в целом ответить на вопросы об обучаемости на уровне высших форм психической деятельности, связанных с интеллектом, абстрактным мышлением, речью.
