Продолжение. Предыдущая статья
Принцип Гюйгенса в тканях мозга
Законы распространения волн в разных средах изучаются оптикой. Но нейробиологи не считают, что распространение волн нервного возбуждения в тканях мозга имеет какое-то отношение к оптике. А что в действительности?
Если отвлечься от пучков нервных волокон, функционально сходных со стекловолоконными пучками эндоскопов, то для остальных нервных тканей — чтобы ответить на вопрос, имеют ли волны нервного возбуждения отношение к оптике — нужно, прежде всего, выяснить, выполняется ли фундаментальный для оптики принцип Гюйгенса? Согласно этому принципу, каждая точка среды, до которой дошло возмущение, сама становится источником вторичных волн, а их огибающая представляет волновую поверхность в следующий момент времени. Именно выполнение принципа Гюйгенса позволяет описывать распространение волн в данной среде законами оптики.
Нервные системы простейших животных (червей, улиток и др.) обычно содержат до тысячи сравнительно крупных нейронов, каждый из которых связан с другими единицами или десятками синапсов — это структуры с ярко выраженной дискретностью, их свойства скачкообразно меняются при переходе от точки к точке. Поэтому здесь нельзя говорить о равномерном распространении фронта волны, о соблюдении принципа Гюйгенса. А ведь мировоззрение нейробиологов формировалось под влиянием свойств именно таких нервных систем.
Совсем другими параметрами обладают нейроны мозга — они намного мельче и в миллиарды раз многочисленнее. Вопреки малым размерам, с окружением каждый из них связан в тысячи раз большим количеством синапсов.
| Составить схему соединений даже небольшого числа нейронов мозга практически невозможно. |
Неслучайно та часть серого вещества мозга, что расположена между телами клеток и содержит отростки нейронов вперемешку с клетками глии, названа нейропилем. По-гречески рilos означает «войлок».
«Система, по-видимому, организует связи таким образом, что локально — в пределах маленького участка — она, грубо говоря, соединяет все со всем». [Френсис Крик, 1984]
Значит, вместе с мозгом Природа изобрела серое вещество, приспособленное для соблюдения принципа Гюйгенса при распространении волн нервного возбуждения. Резкое увеличение количества нейронов, уменьшение их размеров, увеличение числа синапсов не только повысили диффузность связей, но и вообще снизили роль дискретности. В частности, снизилось влияние дискретности задержек сигнала на синаптических переходах.
| Разговор о схеме соединений нейронов применительно ко многим отделам мозга стал попросту бессмысленным. |
Эти свойства мозга даже несколько поколебали общую идеологию подхода нейробиологов к нервной системе:
«Стало очевидным, что многие передатчики ... действуют на значительном удалении от мест их секреции, так что морфологически опознаваемый синапс между двумя нейронами не является обязательным местом их взаимодействия». [Рейхардт, 1987]
В данном случае передатчиками названы нейромедиаторы, т.е. вещества, диффундирующие сквозь синаптическую мембрану и передающие сигнал возбуждения или торможения от одного нейрона другому.
«Там, где прежней теории виделся «химический укол», наносимый индивидуальным медиатором в собственном ограниченном отсеке межклеточного пространства («синаптическая щель»), теперь нашему взгляду открывается неразделенная на отсеки микросреда, содержащая смесь эндогенных агентов, секретируемых разными клеточными источниками; состав этой среды мгновенно и непрерывно меняется, влияя на разнообразные параметры нейрональной активности ...» [Сахаров, 1987]
Именно благодаря тому, что в мозге стали использоваться оптические законы, эволюция «великой промежуточной сети» позвоночных направилась к уменьшению дискретности и повышению диффузности нейронной структуры, ко все лучшему выполнению принципа Гюйгенса.
[Великой промежуточной сетью [Наута, Фейртаг, 1984] нейробиологи называют всю совокупность появившихся в ходе эволюции нейронов, включенных между сенсорными нейронами и мотонейронами.]
Интересно, что мозг, как управляющую систему, основанную на оптических принципах, живая материя изобрела дважды, в независимых линиях развития — у позвоночных и у головоногих моллюсков.
По существу, нейробиологи только сейчас начинают по-настоящему понимать степень сложности клеточной структуры мозга! Это иллюстрируют оценки количества нейронов в мозге человека:
- 35 лет назад полагали, что мозг содержит около 10 миллиардов нейронов.
- 20 лет назад эта величина оценивалась уже в 100 миллиардов.
- 5 лет назад говорили о 1000 миллиардов нейронов в мозге человека.
За 35 лет — изменение оценки в 100 раз! Уточнения производятся до сих пор, но более точная цифра так и неизвестна.
Итак, при переходе от нервных систем простейших животных к мозгу человека Природа изобрела два новых вида нервной ткани:
- серое вещество и
- пучки нервных волокон (в том числе, белое вещество мозга).
Оба этих вида тканей явно ориентированы на использование их в нейрооптической системе — серое вещество обеспечивает соблюдение принципа Гюйгенса при распространении волн нервного возбуждения, а белое вещество обеспечивает топологическую точность переноса образов (вопреки любым препятствиям на пути переноса).
Волна-образ
Ранее мы узнали, что все виды сенсорной информации представлены в мозге в виде двумерных топологически организованных информационных массивов или, иначе, образов. Но как перебросить отсюда мост к преобразованиям сигналов, к мышлению? Достаточно ли для этого стандартных представлений о передаче сигналов нервными импульсами? Достаточно ли самих нервных импульсов для объяснения природы волн, действующих в голографической системе мозга?
В истории разработки голографических моделей мозга вопрос о природе волн, обеспечивающих работу этой необычной голографической системы, занимал особое место — авторам моделей решительно не удавалось объяснить чрезвычайно высокую информативность мозга, противоречащую низким частотам волн, регистрируемых энцефалографами. Поэтому многие исследователи предполагали существование в мозге каких-то пока недоступных для наблюдения, намного более высокочастотных колебаний.
Например, К. Прибрам предполагал, что голографическая система мозга использует «микроволновые» колебания медленных постсинаптических потенциалов [Рribram, 1969; Прибрам, 1975]. В. А. Преснов полагал возможным существование разбросанных по организму миниатюрных лазерных излучателей («вита-квантовых генераторов») и передачу в мозг волн оптической природы по нервам как по световодам [Преснов, 1980].
Наряду с этим, некоторые авторы (например, Г. И. Шульгина) подчеркивали, что, если забыть о частотах, то именно волны, регистрируемые энцефалографами, обнаруживают особенности, характерные для волн в голографической системе — например, волны в разных зонах мозга удавалось разделить на те, которые имеют признаки предметного, а другие — опорного лучей голографической системы. И это — очень важное наблюдение!
КНГ показала, что для объяснения физиологии мышления не нужно искать в мозге какие-то особые, ненаблюдаемые волны. Переносы образов и преобразование сигналов в голографической системе мозга происходят на основе хорошо известных волн нервного возбуждения, регистрируемых энцефалографами. Высокая информативность мыслительных процессов при низкой частоте волн объясняется тем, что эти волны являются солитонами, тогда как раньше в них видели синусоидальные колебания, и оценивали объемы переносимой ими информации, исходя из свойств синусоидальных колебаний.
При снятии энцефалограммы на череп испытуемого накладывается матрица электродов, воспринимающих интегральное электрическое поле мозга. Разрешающая способность энцефалограмм невысока из-за небольшого числа электродов матрицы, а также потому, что процессы в тканях мозга воспринимаются дистанционно, да еще сквозь оболочку мозга, кости и кожу черепа. Поэтому при регистрации высокие частоты утрачиваются, а энцефалограмма оказывается интегральным (суммарным) выражением различных электрических процессов, протекающих в мозге, но, прежде всего, отражением волн активности нервных импульсов (потенциалов действия), которые прокатываются в ансамблях из миллиардов нейронов.
Иначе говоря, как луч составлен из квантов света, так и каждая проходящая в мозге волна нервного возбуждения составлена из множества нервных импульсов (потенциалов действия) отдельных нейронов. Энцефалограммы не только утрачивают высокочастотную составляющую сигнала, но также искажают амплитуды регистрируемых волн, так как импульсы нейронов, расположенных ближе к костям черепа, вносят больший вклад в сигнал, чем импульсы глубже расположенных нейронов.
Волны интегральной активности нервной ткани имеют на графике «активность-от-времени» форму солитона. Ради ускорения информационных процессов, организм уменьшает интервалы между волнами до минимума, из-за чего на энцефалограмме их совокупность становится несколько схожей с синусоидальными колебаниями. Однако, специфичные признаки солитонов, о которых будет сказано далее, при этом сохраняются.
В начале 90-х годов прошлого века была замечена связь интегративной деятельности мозга с так называемыми γ-волнами нервной активности, и стали появляться более глубокие исследования.
Например, в работе [Подвигин и др., 2001] приводятся результаты спектрального и кросскорреляционного анализа реакций 178 нейронов наружного коленчатого тела кошки при предъявлении различных тестовых изображений. Интересно, что эта работа не выявила тестовых изображений или их параметров, которые хоть как-то влияли бы на синхронность γ-волн, но обнаружила зависимость степени синхронности от уровня возбуждения нейронной структуры, независимо от типа стимула. А это указывает, как минимум, на то, что волны нервного возбуждения управляются и синхронизируются не внешними факторами, а факторами, относящимися к мозгу. Генерирование волн нервного возбуждения является внутренним делом мозга.
Таким образом, есть все основания полагать, что сенсорная информация,
- представлена в виде двумерных топологически организованных информационных массивов (образов) и
- эта информация переносится волнами нервного возбуждения, т.е. волнами массовой импульсации миллиардов нейронов, прокатывающимися по нервной ткани.
Теперь нужно выяснить, как именно волны нервного возбуждения переносят двумерный топологически организованный информационный массив (образ).
Продолжение |
