Нейроны человека: ключ к пониманию нейронных сетей

Преамбула

Мне никогда не нравилась биология в школе. Оставшиеся после нее знания о мозге, наверное, сводились к следующему:

В мозгу есть нейроны. Их очень много. Они как-то связываются друг с другом. И на этом основано то, что человек понимает информацию и думает. Пожалуй, все!

Зато всегда нравились точные науки. С циферками.

И вдруг возникает область знаний, основанная на биологическом прототипе. И не просто работающая с сильно упрощенной механической копией какого-то живого существа, а реально точная наука, вовсю использующая те самые не любимые биологами числа!

Чтобы убрать возникший в голове диссонанс, желательно понимать хотя бы общие принципы работы и выживания самого биологического оригинала.

Отсюда родилась эта статья, как результат копания в предмете. Очень здорово помогал во всем разобраться ChatGPT 4. Главное — задавать правильные вопросы.

Специально не привожу массу биологических подробностей и терминов. Старался максимально ограничиться только теми, что унаследованы искусственным интеллектом или помогают понять принципы его работы.

Нейроны

Главным командным центром человеческого организма является его мозг со своей собственной обслуживающей системой: нервной.

Основными строительными кирпичиками мозга являются нейроны, специализированные нервные клетки.

Строение нейрона

Каждый нейрон состоит из тела, многочисленных дендритов, одного аксона и его окончаний (терминальных пунктов аксона).

Нейрон

В теле нейрона находится ядро и множество других клеточных компонентов.

Функционально главную работу в нейронах выполняют 2 его структуры.

Дендриты

Это многочисленные короткие и ветвистые волокна, выходящие из тела нейрона. На них располагаются места контактов с другими нейронами — приемники входящих электрических сигналов от соседей или окружающей среды. Полученные сигналы передаются к телу клетки, где происходит обработка информации.

Аксон

Это длинное волокно, выходящее из тела нейрона. Служит для передачи электрических сигналов от одного нейрона к другому или напрямую к физическим органам.

Аксон обычно гораздо длиннее дендритов и обернут специальным веществом, миелином.

Миелиновая оболочка

Это слой из жировых веществ, образующийся вокруг нервных волокон и состоящий из миелиновых оболочек глиальных клеток. Его роль — в значительном ускорении проведения электрических импульсов по нервным волокнам. Это особенно важно для передачи сигналов в длинных аксонах, например, в спинном или головном мозге.

Миелиновая оболочка также помогает восстановлению нервных волокон после травм. Повреждение миелина может привести к плохой или медленной передаче сигнала и к проблемам с координацией, ощущениями и выполнением требуемого действия.

Взаимодействие нейронов

Подошли к самому интересному. Но чтобы не было занудно и малопонятно, объяснение проведем с помощью аналогии.

Представим, что нейроны — это княжества, на границе которых находятся пункты приема информации. С одной стороны томится гонец с посланием (терминальный пункт аксона отправляющего нейрона). На другой – офицер, отвечающий за связь с конкретным соседним княжеством (находящийся на дендрите рецептор принимающего нейрона).

Для соблюдения секретности они оба заходят в специальный переходной шлюз и закрываются. Шлюз образуется мембранами и рецепторами обеих сторон. Я его назвал так потому, что в моем представлении он очень похож на тот маленький переходник, который образуется при стыковках космических кораблей.

В нейронауках, во множественном числе, он называется

Синапсы

Послание может быть двух видов:

1). Любовное письмо или деловой документ, все, что угодно. Для дальнейшей передачи по инстанции, на усмотрение принимающей стороны. Но с учетом заложенного в сообщении смысла.

2). Категоричный приказ доставить адресату (или передать дальше). Хоть на оленьих упряжках, хоть на сверхзвуковом джете. Немедленно!

В общем, синапс — это место передачи специфической информации.

Выше был приведен пример двух типов синапсов, химических и электрических.

Электрические синапсы

В них электрический сигнал передается напрямую без превращения в химический нейромедиатор. Это обеспечивает почти мгновенную передачу сигнала для быстрого реагирования нервной системы. К примеру, такие синапсы в синусном узле сердца обеспечивают синхронную сокращаемость миокарда.

Но наиболее распространены

Химические синапсы

Принимающий офицер, зная всю историю отношений с передающим княжеством, может либо без проволочек пропустить послание, либо поделить все обещания, например, на два или вовсе положить в долгий ящик. Все это он выскажет в своем сопроводительном письме дальше по инстанции.

На физиологическом уровне в синапсе электрический сигнал от передающего (пресинаптического) нейрона активирует свои синаптические пузырьки, выделяя биологически активное химическое вещество (нейромедиатор), которое попадает на рецепторы принимающего (постсинаптического) нейрона и взаимодействует с ним. В результате реакции мембрана приемника может изменить свою проницаемость и активировать или ослабить (ингибировать) действие пришедшего сигнала.

Т.о. проявляется смысл послания — либо немедленная активация принимающего нейрона, либо ослабление сигнала или даже его полное игнорирование, с учетом сложившейся репутации отправителя.

Такой механизм позволяет контролировать передачу информации между нейронами более точно и специфично. В зависимости от нейромедиатора и его концентрации изменяется сила и длительность передачи сигнала, его регулярность и направленность. Сами понимаете, сколько мытья и катанья может быть и в любовных письмах, и в бизнес-переписке.

Маленький подытог

Таким образом, химические и электрические синапсы дополняют друг друга и обеспечивают более сложные и гибкие механизмы передачи информации в нервной системе.

Также отметим, что не все синапсы передают информацию только в одном направлении. Возможна двунаправленная передача сигнала между нейронами, где оба нейрона могут быть как пресинаптическими, так и постсинаптическими.

В целом, дендриты и аксоны нейронов взаимодействуют друг с другом, обеспечивая передачу и обработку информации. Дендриты принимают входящие сигналы, а аксоны передают их другим нейронам или эффекторным органам. Этот сложный процесс обеспечивает функционирование нервной системы и позволяет нам чувствовать, обрабатывать сигналы и реагировать на окружающую среду.

Взаимоотношения между соседними княжествами (нейронами) могут быть самыми разными и достаточно специфичными. Этим определяется большое разнообразие типов нейронов.

Мостик к нейронным сетям

Ну вот мы оказались на шаг ближе к пониманию того, как работают нейронные сети.

Но какое отношение все сказанное имеет к искусственному интеллекту?

Самое прямое!