Главная страница
qrcode

Нейронаука наука о мозге


НазваниеНейронаука наука о мозге
АнкорNeuroscience Science of Brain 1(1).pdf
Дата24.11.2017
Размер8.19 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаNeuroscience_Science_of_Brain_1_1.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипДокументы
#49087
страница7 из 9
Каталогhateman31

С этим файлом связано 49 файл(ов). Среди них: и ещё 39 файл(а).
Показать все связанные файлы
1   2   3   4   5   6   7   8   9
интегрирующие–и-запускающие нейроны и очень часто используются в нейроморфической инженерии Свое название они получили из-за того, что добавляют вольтаж подходящего к синапсу сигнала и запускают потенциал действия только при условии достижения пороговых величин. Сами силиконовые нейроны состоят из транзисторов, но для минимализации энергетических затрат они работают в подпороговом режиме. Именно так они действуют как клеточные мембраны настоящих нейронов.
Дополнительные транзисторы предоставляют активные потоки, способные превзойти вольтаж- и время-зависимые потоки настоящих ионных каналов. Такая маленькая визуальная система является прототипом больших искусственных систем, находящихся в стадии создания, но и она уже способна показать как будет развиваться наука.
Эта система способна выполнить свое предначертание – анализировать направление линий - и нейроученые уже используют силиконовые зрительные системы для проверки оборудования или обучения студентов. И, наконец, самое важное в искусственных системах это то, что они работают в реальном мире, времени и используют небольщое количество энергии.
Линзы камеры установлены на передней панели силиконовой ретины.
Искусственные нейрональные сети
Искусственные нейрональные сети (аrtificial neural networks, ANN) очень часто используются для изучения процессов обучения и памяти. Обычно они базируются на конвенциональном цифровом компьютере, состоят из нескольких простых процессоров, которые высоко интегрированы в сеть. Простой формой ANN является фид-форвард ассоциатор, который состоит из взаимосвязанных слоев для входящих и исходящих сигналов. Ассоциативная память закодирована при помощи модификации силы, связывающей слои таким образом, что новый входящий паттерн анализируется и сравнивается с имеющимся (см. Математический Пазл- ящик на следующей странице). Более комплексаня сеть ANN составляет реккурентную нейрональную сеть, которая состоит из одного слоя, где каждая отдельная единица взаимосвязана и все единицы могут служить как проводники входящих , тк и исходящих сигналов. Как бы это не звучало странно, но такой дизайн позволяет сети больше сохранять паттерны, чем буквально пару единиц информации. Декодирование аутоассоциативной сети приводит к обнаружению сохраненного паттерна. В сети, состоящей из 1000 единиц можно восстановить около 150 паттернов прежде, чем ошибки в восстановленных паттернах станут слишком большими.
Похожесть ANN и мозга лежит в основе процессов сохранения и обработки информации. ‘Знание’ о том, что сам процесс происходит в самой системе. Нет дополнительного места сохранения памяти (как процессор цифрового компьютера), для которого арифметический процессор и адреса ячеек памяти разъедины. Вместо этого они обладают адресно-содержимым хранилищем. В ANN информация сохраняется в плотности связей точно так, как синапсы меняют свою силу при обучении. Никакая ANN не запрограммирована для производства какой-либо процедуры. Каждый 'нейрон' внутри системы - тупой, и просто отвечает на входящие сигналы. И все же, они могут обучиться умным вещам. Правило обучения заключается в модификации силы межнейрональных связей, как правило, при этом оцениваются входящий и исходящий сигнал, и сравниваются с желанным сигналом. Каждая ”ошибка” в сравнении в дальнейшем используется для достижения более близкого к желанному исходящему сигналу. Таким образом сеть сводит неправильные сигналы к минимуму.
Это на самом дело работает, только очень медленно.
Ошибки являются важной составляющей – система не может обучиться при безошибочном функционировании. Последнее является признаком переобученной системы: безошибочно работающая сисема перестает отвечать на стимулы и только при единственном типе стимуляции возможен ответ.
Такие системы метафорно называются ”бабушки” - по аналогии с мифическими “бабушкиными клетками” в головном мозге человека, которые должны безошибочно реагировать только на пояление бабушки! В принципе, это не так применимо в реальном мире, так как обучение новому потребует создания отдельной сети. Но надо указать, что ANN способны генерализовать входящие паттерны, с которымы они никогда не встречались в процессе обучения. Они видят взаимоотношения, схватывают ассоциации и обнаруживают повторения в паттернах. И как настоящий мозг, они могут ошибаться! Они все еще способны восстановить сохранненый паттерн даже в том случае, если входящий паттерн неполон и нечист. Этот факт является важной особенностью как биологического мозга, так и искусственных нейрональных сетей.
45

Парадокс современной компьютерной технологии
Парадоксом сегодняшнего дня является факт, что ANN можно симулировать математически на цифровом компьютере. Их применение в реальном мире ограничивается, так как симуляции требуют дополнительного времени, и таким образом,
ANNнеспособны оперировать в реальном времени. ANN идеальны для вождения автомобиля или управления самолетом, ведь они способны работать даже в условиах, когда какие-то единицы сети выходят из строя. Однако, экспертные системы, заложенные в детерминированное программное обеспечение атопилота, работают на цифровых компьютерах и всегда дублируются. Но если в самолете произойдет серьезный сбой, даже такая экспертная система не сможет овладеть ситуацией, и за штурвал должен сесть человек. Современные обучающие алгоритмы для ANN работают крайне медлено в неотложных ситуациях. И чем больше мы понимаем работу головного мозга, тем реальнее становятся наши возможности в создании искусственного интеллекта, сопоставимого с человеческим мозгом.
Математический пазл-ящик
Содержимо-адресная память
Представьте себе перекрещивающиеся 4 вертикальных и горизонтальных провода в контактами в месте перекреста (рис. A). Это и есть матрикс памяти. Информация представлена в виде двоичных чисел (как 0011 или 1010), и синапсы включаются, когда 1 встречается с 1 (B, показано серым). Здесь сохраняется эта пара чисел. Матрица может сохранить другие числа над этой парой, как
1010 и 0110. Окончательный вариант матрицы должен иметь 7 переходников как на рисунке С.
Если снова представитьпервое число - 0011 – окончательному варианту матрицы, ток будет вырабатываться в вертикальных проводах, где локализованы переключатели (D), и вы увидите электрический поток от проводов, в основе пропорциональный числу 2120. Это не число 0011, сохраненное в начале. Но если вы разделите 2120 на количество единиц (0+0+1+1 равно 2) с применением интеграционного разделителя, у вас получится 1010. Таким обазом, матрица
“запомнила” что 0011 идет вместе с 1010, несмотря на наличие дополнительной сохраненной информации над ней. Конечно, вы можете проверить эту работу со второй парой чисел.
A
B
C D
NOMAD - пока еще суетливый, на уже полный мыслей предшественнник думающих машин. Его рост составляет 2 фута, тело цолиндрической формы, он имеет “глаза”, “уши”, “руки” и другие сенсоры для обеспечения навигации. NOMAD отличается от других машин тем, что он существует без закодированных инструкций или правил. Вместо этого он обладает компьютерным мозгом, состоящим из 10,000 ”клеток” и более миллиона контактов для обеспечения прецепции и реакций. Он может овладеть новой ситуацией и учиться на ошибках, ”пробовать на вкус” окружающий мир - окрашеннные кубики. Полосатые кубы обладают электорпроводимостью, что делает их
”вкусными”, окрашенные в горошек – не проводят электричества, что делает их невкусными. Путем собственных ошибок NOMAD научился искать вкусные полосатые кубики и избегать окрашенные в горошек.
Этот тип памяти имеет специальную локализацию – как в компьютере. Вся информация распеределна по сети, сохранена в синапсах и может быть востребована в соответствии с содержанием.
Проблема такой памяти заключается в том, что насыщение происходит слишком быстро, особенно когда там только 4 провода. Однако, при наличии
1000 пар проводов, матрикс может сохранить множество перекрещивающихся информационных сообщений.
Соответствующие сайты: www.artificialbrains.com
46 http://www.ini.unizh.ch/

Когда все идет
наоборот
Мозг является очень деликатным органом.
Происшествия могут стать причиной травмы черепа
и развития заболеваний мозга. Последние
проявляются огромным количеством симптомов и
значительно усложняют понимание болезни.
Правильная оценка заболеваний мозга требует
наличие клинических навыков у невропатолога,
дополнительных исследований и визуализацию
головного мозга. Исследования заболеваний мозга
даже требуют высочайшую квалификацию.
Некоторые болезни – эпилепсиая и депрессия –
весьма часты даже среди детей и подростков.
Другие встречаются реже – шизофрения,
характерная для пожилых болезнь Альцгеймера,
однако они также приводят к инвалидизации.
Некоторые имеют генетическое начало, поднимая
вопрос для каждого из нас – а хотим ли мы знать
об этом?
Исследования нейронауки внесли два существенных вклада в улучшение качества жизни больных с эпилепсией. Во-первых, с пониманием процесса передачи возбуждениа, мы можем создать лекарства, снижающие судорожную активность, но не действующие на нормальную мозговую активность. Старые препареты такой селективностью не обладали.
Во-вторых, получение высококачественных избражений мозга может точно локализовать источник судорог. И тогда создаются предпосылки для хирургического удаления поврежденной ткани, генерирующей патологические импульсы, и производится оперативное лечение эпилепсии.
Нарушенная сигнализация –
Эпилепсия
Головная боль и мигрень
Во время судорог (эпи-припадка) человек теряет сознание и может упасть, становится ригидным или дрожит. Когда больные приходят в себя, может оказаться, что они укусили свой язык или непроизвольно помочились. После приступа они могут быть сонливыми. Несмотря на большое количество детей судорогами, олько некоторые из них в дальнейшем имеют приступы. К сожалению. у некоторых из них приступы встречаются каждую неделю и даже день.
Большинство людей испытывают головную боль.
Обычно оня бывает вызвана напряжением мышц и не опасна. В более редких случаях, особенно когда головная боль приходит очень быстро или сопровождается рвотой или кожной сыпью, то надо искать серьезную причину. В этом случае боль может быть обусловлена ирритацией или растяжением менингеальной оболочки.
Более обычной причиной головной боли может быть мигрень. При этом возникает боль в половине головы, тошнота, дискомфорт от яркого света или громкого шума.
Некоторые люди испытывают мигренозную ауру в виде мигающих вспышек света или линий, обычно возникающих задолго до начала головных болей.
Так что же происходит? Во время приступов происходит увеличения потенциала запуска (firing potentials) нейронами, с последующим периодом сниженной возбудимости. Циклический процесс модулируется ингибиторными (GABA) и активирующими (глутамат) нейротрансмиттерами.
Когда снижение возбудимости происходт неполностью, судороги могут запускаться неконтролируемым вовлечением соседних клеток.
Это вовлечение может быть локальным (приводя к парциальным судорогам) или распространиться на всю кору (генерализация). При генерализованном припадке нормальный альфа-ритм на ЭЭГ сменяется широкими, медленными, синхронизированными волнами электрической активности при исследовании обеих полушарий (обратите внимание на фон).
Теперь выяснено, что причиной мигрени являются сосуды мозга. Визуализация мозга выявила повышенную активность именно в сосудах при мигрени. В ответ на это, происходит кратковременное увеличение кровотока (что и проявляется вспышками света), сменяющееся угнетением (преходящая слабость). В последние десятилетия появились инновационные препараты для лечения мигрени, основанные на полученных новых данных о физиологии развития мигрени – серотониновых рецепторах.
Изолированные припадки довольно часты, но рекуррентные судороги – эпилепсия – являются более серьезной проблемой, с окончательно невыясненной непосредственной причиной. У людей с эпилепсией приступы могут быть спровоцированы усталостью, голодом, низким уровнем глюкозы в крови, алкоголем или быстро сменяющейся каринкой на экране телевизора.
Фоновая картинка соответствует ЭЭГ при судорогах
47

Новый класс препаратов – триптанов - был предложен для взаимодействия с серотониновыми рецепторами и остановки мигренозного приступа даже в развитии. И это тоже – другой факт о большом вкладе нейронауки в улучшение жизни миллионов людей во всем мире.
Недостаток энергии - инсульт
Когда у человека внезапно развивается слабость половины тела, то часто причиной этого состояния является инсульт, поражающий противоположную половину мозга. Баланс, чувствительность, понимание и продикция речи также могут поразиться. Иногдя эти явления со временем улучшаются или проходят, однако инсульт все еще остается частой причиной смерти и инвалидности.
Инсульты происходят в различных участках и имеют разные размеры, и последствия инсульта во многом зависят от того, какая область мозга поражается.
При инсульте прекращается подача энергии в определенную область мозга, а клеткам мозга необходимо питание для работы и выживания.
Питание (кислород и глюкоза, вместе образующие АТФ) доставляется по 4 основным артериям мозга. Эта энергия (см главы 2 и 3) необходима для обеспечения потока заряженных ионов, который лежит в основе электрической активности нейронов. Примерно 2/3 нейрональной энергии потребляет фермент Na/K
АТФаза, который перезаряжает натриевые или калиевые каналы после действия потенциалов действия.
Повреждение мозга при инсульте и очаг ишемической пенумбры
При транзиторной ишемической атаке (ТИА) происходит преходящее нарушение кровоснабжения и доставки АТФ. Нейроны, таким образом, не могут перезаряжать ионные градиенты и создавать потенциалы действия. Так, если прекратить доставку крови к левой моторной коре, то правые рука и нога могут парализоваться. Если быстро воостановить приток крови, то нормальная функция нейронов восстановится и моторные нарушения пройдут. К счастью, при ТИА перманентных повреждений мозговой ткани не возникает.
Инсульт более серьезен. При прекращении притока крови на длительное время повреждения становятся необратимыми. В отсутствие АТФ клетки неспособны поддержать гомеостаз, набухают и лопаются. Нейроны при этом могут спонтанно деполяризоваться, высвобождая потенциально токсические продукты, например глутамат. И глиальные клетки, обычно убирающие излишки глутамата через АТФ-зависящие помпы, также перестают работать. И в условиях отсутствия энергии жизнедеятельность мозговых клеток ставится под серьезную угрозу.
С детальным пониманием процессов, развивающихся при инсульте, стало возможным создание новых методов лечения. Так как часто причиной инсульта является тромб, то применение нового препарата, растворяющего тромб – тканевого активатора плазминогена (tissue plasminogen activator, TPA) – может помочь быстро восстановить кровоток. Чем раньше будет применен
ТРА для лечения, тем выраженнее будет эффект. К сожалению, близкие больного не сразу понимают, что происходит с ним, и драгоценное время для начала терапии бывает потеряно.
Другим возможным лечением может быть применение препаратов, которые блокируют нейротрасмиттеры, включая токсические уровни глутамата. Они могут блокировать как рецепторы, или внутриклеточные сигнальные пути, запускаемые глутаматом. Большинство лекарств все еще находится в стадии создания или изучения, и, к сожалению, их эффектиивность при инсульте еще не доказана.
Генетические болезни
У врачей существовал большой список диагнозов, на греческом или латыни, для разъяснения типа болезни или пораженной области мозга, например
“париетальная апраксия”. Однако выявление генетических основ многих заболеваний существенно изменило эту тактику. Для многих наследственных заболеваний оказалось, что проблемы обнаруживаются везде.
Так, некоторые наследуют проблемы с контролем над тонкими движениями, и со временем у них появляется и увеличивается беспокойство в ногах.
Теперь мы знаем, что за развитие спино- церебеллярной атаксии ответственен конкретный ген. Теперь нейрогенетические исследования приходят на помощьв многих подозрительных случаях и позволяют верифицировать диагноз с большей уверенностью.
48

Неспособность к обучению
Шизофрения
Воспаление – Рассеянный Склероз
Рассеянный Склероз - это болезнь молодыx людей. Основными признаками являются повторяющиеся эпизоды слабости, онемения, двоения в глазаx или нарушения баланса, которые продолжаются в течение нескольки x недель до восстановления, иногда полного. Это циклическое течение между болезнью и улучшением является типичным для рассеянного склероза.
Рассеянный Склероз обусловлен воспалением в нервной системе, которое то затуxает, то возгорается снова. Наша иммунная система создана для борьбы с инфекциями, вызванными бактериями или вирусами. Иногда иммунная система ошибается и начинает атаки на здоровые ткани. Эти состояния называются аутоиммунными болезнями и могут повредить любую ткань. Если возникают атаки на миелин, то в результате воспаления происходит процесс демиелинизации. Со временем воспаление стихает, миелин восстанавливается, утраченные функции возвращаются. У многих людей первый приступ демиелинизации остается единственным, однако у некоторых эти приступы возвращаются и поражают другие, новые участки мозга.
Генеологическое дерево, выявляющее семейную
распложенность к шизофрении или нарушениям
обучаемости. Обратите внимание, что иногда целое
поколение не подвержено заболеванию.
Болезнь Гентингтона (названная по имени впервые описавшего врача)– нейродегенеративное заболевание,ассоциированное с бесконтрольными движениями туловища. Происходит в результате повторяющейся мутации в одном из самых широких генов человеческого генома – гентигтине.
Раннее начало болезни Паркинсона (заболевания, приводящего к медлительности, ригидности, тремору, деменции) возникают в результате проблем с паркин-геном. Помогая с диагностикой, генетическое тестирование может дать информацию о риске развития болезни или передаче ее по наследству.
Так как нам еще полностью не ясно, что запускает воспаление при рассеянном склерозе, мы не можем его остановить. Однако мы знаем, что применение строидов и подавление иммунной системы помогает подавлять атаки. Некоторые предлагают постоянно подавлять иммунитет препаратами типа азатиоприна или ß- интерферона, однако до сих пор существуют серьезные сомнения в их эффективности.
Однако, все оказалось не так просто, один и тот же ген может стать причиной развития различных болезней у разных людей, и наоборот, поражения различных генов могут проявиться однаковыми болезнями. Понимание процессов, которые обуславливают эти изменения, как взаимосвязаны генетическая информация и окружающий нас мир, является важным шагом в развитии новых научных достиженй и открытий.
Иммунная система также может атаковать синапсы, где происходит нейромышечная передача – приводя к
1   2   3   4   5   6   7   8   9

перейти в каталог файлов


связь с админом