Обробка інформації в аналізаторах

Ми багато говорили про регуляції функцій клітин і організму. Тепер спробуємо порівняти механізми роботи аналізатора і регуляції функцій організму, розглянувши схему на малюнку 1.5.24. У ній узагальнені механізми роботи органів і систем органів, по П.К. Анохін (теорія функціональних систем) і К.В. Судакова (система регуляції артеріального і осмотичного тиску). Простеживши за малюнком за напрямком світлих стрілок, можна відзначити односпрямованість і послідовність процесів регуляції, а також замкнутість контуру системи.

Перш ніж розглядати механізми обробки інформації, згадаємо кілька визначень і будемо періодично повертатися до цього малюнку. Аналізатор (виділено на схемі темним тлом) – сукупність центральних і периферичних утворень, що сприймають і аналізують зміни навколишнього середовища і внутрішнього середовища організму. За функціональним значенням виділяють периферичний (сприймає), провідникової (передає інформацію) і центральний, або корковий (розташований в корі півкуль головного мозку) відділи аналізатора. Периферичний відділ аналізатора представлений рецепторами (рисунок 1.5.24 і 1.5.25). Відзначимо, що органи чуття (розділ 1.5.2.10) по суті – ті ж рецептори, що реагують на певні зовнішні стимули. Рецептори вловлюють зміни показників поточного стану, а потім проводять первинний аналіз інформації: порівнюють отримані значення з генетично запрограмованими, заданими як еталон (норма). Іншими словами, вони видають інформацію про різниці поточних і заданого значень параметра. Специфічність рецепторів полягає в їх здатності сприймати подразник тільки певного виду. Наприклад, зоровий рецептор сприймає тільки електромагнітні хвилі з довжиною хвилі 390-760 нанометрів (світло, колір), слухові рецептори – тільки звукові хвилі в діапазоні від 16 Герц до 20 000 Герц, смакові і нюхові рецептори фіксують хімічний склад їжі або вдихуваного повітря і так далі.

Як пояснити таку “вузьку спеціалізацію” органів почуттів і рецепторів взагалі? Згідно з однією з теорій, вимушені коливання світлового променя породжують резонансні коливання тільки рецепторів сітківки. Інші рецептори (нюху, смаку, тактильні та інші) мають інші частоти власних коливань і тому на світловий промінь не реагують (не вступають в резонанс). Залежно від джерела стимулів (збурюючих впливів), на які реагує рецептор, розрізняють три групи рецепторів (рисунок 1.5.25).

Екстерорецептори (від латинського exterus – знаходиться зовні, зовнішній) сприймають подразнення ззовні: звук, світло, запах, смак, дотик, біль, температуру навколишніх предметів та інші характеристики. Пропріорецептори (від латинського proprius – власний) вловлюють зміни в стані опорно-рухового апарату. Вони сприймають скорочення м’язових волокон, натяг сухожиль і зв’язок, положення окремих частин тіла (зігнута в коліні нога, піднята вгору рука і так далі). Інтерорецептори (від латинського interior – внутрішній) розташовуються у внутрішніх органах, тканинах, в стінках кровоносних і лімфатичних судин. Інтерорецептори реєструють зміна хімічного складу (наприклад, рівень глюкози в крові або соляної кислоти в шлунковому соку), тиск, механічні та інші зміни характеристик внутрішнього середовища організму.

Отримана інформація через провідникове ланка аналізатора за допомогою нервової, гормональної, метаболічної і миогенной систем регуляції (рисунок 1.5.24) передається в центри головного мозку і, зокрема, лобові частки кори півкуль, що відповідають за свідомість. Інформація аналізується, після чого виробляється керуючий сигнал, що надходить за допомогою нервових, гормональних, метаболічних і міогенних механізмів до ефекторами. Ефектори здорового організму під впливом керуючого впливу коригують параметри поточного стану, підлаштовуючи їх до нормальних (еталонних) значень, що фіксується рецепторами. Коло замкнулося. Відзначимо, що зовнішні фактори можуть впливати (показано темними стрілками) на будь-який з ланок механізму регуляції і впливати (негативно або позитивно) на результат – значення досліджуваного параметра.

Як здійснюється процес передачі інформації? Як якийсь об’єкт навколишнього середовища залишає “відбиток” в нашій свідомості? Де зберігається архів таких “відбитків”? Спробуємо відповісти на ці питання.

У відповідь на роздратування в рецепторах кодується якісна характеристика подразника (світло, звук), сила, час і локалізація його дії, а також місце розташування джерела впливу в навколишньому просторі. Наприклад, властивості предмета (форма, колір, розмір, віддаленість об’єкту), що потрапив в наше поле зору, в рецепторах сітківки кодуються в результаті фотохімічних реакцій, а потім перекодуються в електричний імпульс нервового волокна. В провідникової відділі аналізатора при передачі сигналу від одного нейрона до іншого відбувається зміна інформаційного коду. Пояснимо це на прикладі. Електричний сигнал мембранного потенціалу при “перемиканні” в синапсі перетворюється в хімічний (виділення певної “порції” медіатора) і навпаки, у другому нейроні хімічний сигнал викликає електричний імпульс. Таким чином, інформація про зовнішній стимул багаторазово кодується і перекодируется, поки сигнал збудження не досягне центрального (коркового) відділу аналізатора. Відзначимо, що смислове значення сигналу, що передається зазвичай залишається колишнім, і лише за певних негативних обставин зміст інформації може спотворюватися в більшій чи меншій мірі.

Інформація про об’єкт в процесі сприйняття, передачі і обробки сигналу багаторазово кодується і перекодируется. При цьому смислове значення інформації зазвичай зберігається.

Для кожного подразника еволюція знайшла свій оптимальний спосіб передачі інформації. Для багатьох периферичних нервових волокон була встановлена логарифмічна залежність між інтенсивністю подразника і частотою спричинених ним вимушених коливань. Існує безліч моделей, що описують механізм передачі інформації в нейронних мережах.

В процесі передачі інформації можуть брати участь одночасно безліч рецепторів і нервових волокон (рисунок 1.5.26). На роль ансамблю нейронів в кодуванні і передачі інформації в людському організмі вперше вказав Д. Хебб. Ансамбль нейронів – це група нейронів, що має загальний для них подразник. Д. Хебб висловив припущення, що інформація передається виключно через порушення групи нейронів, він запропонував розглядати ансамбль нейронів в якості основного способу кодування і передачі інформації. Різні набори порушених нейронів одного і того ж ансамблю відповідають різним параметрам подразника. Те ж відбувається і з еферентних (відцентровими) сигналами. Різні набори сигналів еферентних ланок відповідають різним реакціям ефекторів. Такий спосіб передачі інформації цілком надійний, тому що не залежить від стану одного нейрона.

Особливий принцип обробки інформації випливає з детекторной теорії. Він отримав назву принципу кодування інформації номером детектора (детекторного каналу). Передача інформації за номером каналу (термін запропонований Е.Н. Соколовим) означає, що сигнал слід по ланцюжку нейронів, кінцева ланка якої представлено нейроном-детектором простих і складних ознак, вибірково реагує на певний фізичний ознака або їх комплекс. Такий підхід був присутній вже в дослідах І.П. Павлова з шкірними аналізаторами собаки. Роздратування деякої ділянки шкіри викликало осередок збудження в строго певній ділянці кори головного мозку, що відповідає за соматичні роздратування (роздратування ділянок тіла).

Нейрон-детектор являє вершину ієрархічно організованою нейронної мережі (ансамблю нейронів). На більш високому рівні кілька нейронів сходяться на одному нейроні-детекторі, утворюючи його локальну нейронну мережу (малюнок 1.5.26). Величина збудження, що виникає в ансамблі нейронів і переданого на детектор, характеризується силою збудження і його спрямованістю у вигляді суперпозиції збуджень всередині ансамблю нейронів.

Незважаючи на великі успіхи, досягнуті при вивченні нейронних процесів і функцій різних груп нейронів, сучасна наука має у своєму розпорядженні значно меншими даними про інтеграційних механізмах мозку. Слід зупинитися на понятті гностичної одиниці – нейроне вищого порядку, на якому сходяться нейрони-детектори. Виникнення у свідомості цілісного суб’єктивного образу предмета пов’язане з пірамідою послідовних нейронних перетворень, вершиною якої є операція, яка виконується гностичної одиницею (Е.Н. Соколов, 1996). Окремим зорових образів відповідають окремі гностичні одиниці. Вони вибірково реагують на складні зображення (наприклад, особи, жести).

Ієрархічно організована нейронна мережа організму сходиться на гностичних одиницях.

У підсумку, що надходить у вигляді нервових імпульсів інформація перекодируется в структурні і біохімічні реакції в гностичних одиницях. У корі головного мозку здійснюється вищий аналіз і синтез інформації, що надійшла. Аналіз полягає в тому, що за допомогою виникаючих відчуттів ми розрізняємо діючі подразники якісно (світло, звук, тепло та інші характеристики) і кількісно (сила, тривалість і локалізація дії подразника), а також визначаємо місце розташування джерела звуку, світла або запаху. Синтез реалізується в впізнаванні відомого предмета, явища або в формуванні образу вперше встречаемого предмета, явища. Впізнавання явища або предмета в цілому по сукупності сприйняття окремих характеристик подразника досягається в результаті звірення надходить в даний момент інформації зі слідами пам’яті.

Без звірення відчуттів зі слідами пам’яті впізнавання неможливо.

Якщо інформація про предмет або явище надходить в корковий відділ аналізатора вперше, то формується образ нового предмета, явища завдяки взаємодії декількох аналізаторів. Але і при цьому йде безперервне зіставлення інформації, що надходить із слідами пам’яті про інших подібних предметах і явищах. Поступила в вигляді нервових імпульсів інформація кодується в мозку за допомогою механізмів довготривалої пам’яті. Виділені елементарні ознаки синтезуються в довгостроковій пам’яті в передневентральное скроневої корі на гностичних нейронах. Виконується принцип:

Один образ – один гностический нейрон.

Відображення сприйманого об’єкта в гностичної одиниці характеризується високим ступенем абстракції. При зміні розміру, орієнтації, кольору об’єкта гностический нейрон продовжує зберігати вибірковість своєї реакції на колишній об’єкт. Усвідомлення об’єкта в процесі його сприйняття пов’язують з додатковим властивістю піраміди образів. Воно реалізується механізмом синхронізації електричної активності мозку в діапазоні гамма-частот.

Отже, процес передачі сенсорного повідомлення супроводжується багаторазовим перекодуванням інформації і завершується вищим аналізом і синтезом, які відбуваються в кірковійвідділі аналізатора. Після цього реалізується вибір або формування алгоритмічної програми відповідної реакції організму.

...
ПОДІЛИТИСЯ:

Дивіться також:
Лобова кістка