Нейробиология и искусственный интеллект: часть первая — ликбез

Так уж получилось, что я уже давненько читаю Хабр и особенно раздел про искусственный интеллект, однако до сих пор так и не отважился внести свою лепту в общий уровень энтропии.

Оживленные дискуссии в комментариях показывают живой интерес к теме и одновременно большое разнообразие точек зрения, мнений и уровней подготовки. Просмотрев историю публикаций, я как-то не нашел важного отправного пункта для многих рассуждений, а именно – какого-нибудь описания механизмов передачи сигналов в мозге. Те, кто пишут про нейронные сети и прогресс в компьютерных моделях интеллекта обычно вскользь упоминают про синапсы и медиаторы (что вполне достаточно для их целей), те же, кто пытается понять природу естесственного интеллекта в основном рассуждают философскими категориями. В результате, множество коментариев содержат отсылки к популярным домыслам и мифам, не находящим подтверждения в современных исследованиях.

В данной статье я в сжатой форме попытаюсь дать ответы на следующие вопросы:
— что же такое нейрон, как он устроен и работает?
— что происходит в синапсах, когда нейроны общаются друг с другом?

А в следующей (-щих):
— как интеллект и сознание связаны с активностью нейронов? (здесь же про то, как информация обрабатывается мозгом, нейропластичность, квантовую теорию сознания, сон и т.д.)

Так что же такое нейрон, как он устроен и работает?



Рис. 1. Различные формы нейронов. Здесь и далее картинки взяты из “Neuroscience”, 3d edition, Dale Purves et al.

Во-первых, стоит упомянуть, что в человеческом организме далеко не один вид нейронов, однако при всех их различиях (рис. 1) у них есть много общего, в том числе и с точки зрения механизмов обеспечения их прямой функциональности. Во-вторых, в мозгу кроме нейронов есть еще множетсво вспомогательных клеток – клеток нейроглии, или просто глии. Этих клеток в среднем в 3 раза больше чем нейронов, и они обеспечивают нейроны питанием, энергией и необходимыми веществами. В последнее время им стало уделяться все больше внимания в силу того, что было показано их влияние на работу нейронов (например [1]) в области обучения и памяти. Здесь стоило бы отмтетить, что являясь клетками поддержки, нейроглия не может не влиять на работу нейронов, ведь голодный нейрон не может работать так же, как и сытый, однако не стоит переоценивать их роль в обработке информации: да, они влияют на работу нейронов и синапсов, но не определяют ее. Отсюда и пословица: сытый голодного не разумеет.


Рис. 2. Схематичное изображение структуры нейрона.

Но вернемся к нейронам и сигналам, которые они продуцируют. Абстрактная усредненная структура нейрона предс тавляет собой что-то типа изображенного на рис. 2. и состоит из тела клетки (soma), в котором можно найти все элементы обычной живой клетки (ядро, аппарат Гольджи, митохондрии, т.д.), дендритов – отростков, служащих как инпут от других нейронов, и обычно одного длинного аксона – по которому нейрон вещает свое мнение другим нейронам. Из этой структуры и пошли быть все математические модели перцептронов – много входов, черный ящик, один выход, профит. А что же происходит в черном ящике? Как нейрон обрабатывает входящие сигналы и на чем основаны математические модели нейронов? Оказывается, не все так сложно, как могло бы быть. Рассмотрим, например, механизм работы аксона по передаче сигнала.


Рис. 3. Структура аксона с основными действующими элементами для распространения сигнала: протеинами, отвечающими за перенос ионов из внутренней части клетки наружу и наоборот.

1. Структура аксона

Как видно из рисунка 3, аксон представляет собой обычную клеточную мембрану, состоящую из двойного слоя липидов, перемежающихся различными протеинами, плюс, то что не показано на картинке – цитоскелет, состоящий из протеиновых микро-трубочек и соединительных протеинов. Тут важно заметить, что внутри и снаружи аксона химический состав жидкостей различен. И, как мы увидим позже, очень важную роль играют градиенты концентраций ионов натрия, калия, кальция и хлора. Различная концентрация ионов по обе стороны мембраны активно поддерживается как раз теми протеинами, которые в мембране и находятся в большом количестве. Часть из них поддерживает определенный потенциал мембраны, так называемый resting potential (RP): у различных организмов он варьируется от -40 до -90 mV. Получается он благодаря тому, что специальные протеины (их называют active transporters) качают в одностороннем порядке ионы против градиента концентрации, в то время как другие протеины (называемые ion channels) позволяют определенным ионам течь в обратном направлении. Равновесие этих двух процессов влияет как на RP, так и на action potential (AP) – основной сигнал передаваемый от одного нейрона к другому, а так же на синаптический и рецепторный потенциалы, которые и обеспечивают АР.

2. Что такое сигнал для аксона и откуда он берется?

Итак, поскольку АР это то, что передается от одного нейрона к другому, для нас он будет наиболее важен, посему давайте рассмотрим его более детально. Работа протеинов по перекачке ионов и контролю уровня RP в определенных пределах довольно хорошо организована и даже помехоустойчива. Это можно продемонстрировать, прикладывая определенные потенциалы к мембране (рис. 4).


Рис. 4. Схематичное изображение условий генерации пассивных и активных сигналов.

Как видно из диаграммы, при равновесном значении RP ток через мембрану не течет. Если к мембране приложить внешний потенциал, то в определенных пределах ее отклик будет линейным. Однако, по пересечению некоего порогового значения (Threshold) происходит «взрывная» деполяризация мембраны – тот самый action potential. Причем важно заметить: прикладывая больший потенциал к мембране, АР не становится больше или длиннее, но частота следования становится больше! И тут никакого волшебства: в спокойное время, натриевые каналы закрыты и градиент концентрации натрия обеспечивается ион-транспортными протеинами. Однако при пересечении порогового значения потенциала мембраны натриевые каналы включаются и очень быстро пропускают большое количество ионов внутрь клетки, быстро изменяя общий потенциал мембраны. Калиевые каналы такого обращения терпеть не будут и тоже откроются, но равновесный градиент концентраций калия противоположен градиенту концентраций натрия, поэтому калий потечет из аксона наружу, тем самым нейтрализуя эффект вызванным натрием и восстанавливая равновесное значение RP. Благодаря разной скорости протекания этих двух процессов на короткое время образуется чрезмерно отрицательный потенциал мембраны, но он компенсируется работой ион-транспортых протеинов.

Так что фактически аксон – простой АЦП, который кодирует амплитуду входящего сигнала частотой выходящих сигналов, плюс некий порог ниже которого он вообще не напрягается, и передает этот сигнал дальше. Распространение сигнала вдоль аксона регулируется все теми же протеинами: когда в одной части аксона появляется АР, он меняет концентрации ионов в некоей окрестности, и там происходит то же самое, только с определенной временной задержкой, отсюда вполне конечная скорость распространения нервных импульсов: от 0.5-10 м/с по коротким нейронам до 150 м/с по длинным аксонам, окруженным миелином.

Что происходит в синапсах, когда нейроны общаются друг с другом?


Начать, наверное, стоит с того, что упомянуть что синапс это соединение аксона одного нейрона с дендритом другого и синапсы бывают двух видов: электрические и химические. Первые довольно редки, но фактически представляют возможность передавать электрический сигнал напрямую от одного нейрона к другому. Это происходит тогда, когда синаптическое соединение двух нейронов настолько близкое, что они «сливаются» и ионные каналы одного нейрона напрямую соединены с ионными каналами другого нейрона, позволяя маленьким молекулам перемещаться между ними. Таким образом электрические синапсы просто позволяют ионным токам перетекать между нейронами. Интересная особенность такого соединения – оно работает в обоих направлениях. Другая особенность – они чрезвычайно быстрые. Поэтому такие синапсы используются в популяциях нейронов, которые должны быть хорошо синхронизированы, например которые генерируют ритмическую активность для дыхания.


Рис. 5. Полный цикл передачи сигнала через химический аксон: 1 – синтез и хранение трансмиттера; 2 – приход АР; 3 – открытие кальциевых каналов под воздействием АР; 4 – перетекание ионов кальция через открытый канал; 5 – слияние пузырьков с трансмиттером с мембраной под воздействием излишней концентрации ионов кальция; 6 – высвобождение трансмиттера в синаптическое пространство; 7 – связывание трансмиттера с рецепторами на дендритной стороне синапса; 8 – открытие ионных каналов под воздействием трансмиттера; 9 – образование АР под воздействием тока ионов через каналы; 10 – возвращение пузырьков для наполнения новым трансмиттером.

Химические синапсы работают немного по-другому (рис. 5). Вкратце, когда приходит АР, со стороны аксона выпускается нейротрансмиттер, который диффундирует сквозь синаптическое пространство и связывается с рецепторами на стороне дендрита, активируя их. Активированные рецепторы деполяризуют мембрану дендрита и тем самым включают процесс распростанения АР по своей мембране. В теории просто, а на практике вяснилось, что нейротрасмиттеров под 100 различных видов. Спрашивается, а зачем столько? Исследования показали, что многие нейроны вырабатывают одновременно несколько неротрансмиттеров, которые, в свою очередь, по-разному влияют на рецепторы пост-синаптической (принимающей сигнал) мембраны. Например, нейротрансмиттеры небольшого размера, выделяющиеся обычно при редко приходящих АР, быстро перетекают через синаптическое пространство и вызывают быструю реакцию, в то время как большие молекулы, выделяющиеся при часто приходящих АР, перемещаются дольше, но и связываются с рецепторами сильнее, тем самым порождая более длительную деполяризацию мембраны. Все это создает предпосылки для более качественной передачи пришедшего сигнала. Так же, важно отметить, что одни нейротрансмиттеры могут возбуждать принимающий нейрон, а другие – наоборот ингибировать возбуждение.

Вот как-то так.
Пока что про искусственный интеллект не особо много получилось, но и до него дойдем.

— [1] гуглим «mystery-of-the-human-brains-glia-cells-solved-key-to-learning-information-processing»
Поделиться публикацией
AdBlock похитил этот баннер, но баннеры не зубы — отрастут

Подробнее
Реклама
Комментарии 43
  • +4
    у Coursera скоро будут прекрасные лекции на тему когнитивных и нейронаук
    • 0
      Если Вам интересны лекции по нейронауке, то советую посмотреть к примеру лекции школы по нейронауке, которая проходит в МИФИ, а также лекции по программе BiON.
      • 0
        можно чуть подробнее про BiON? не могу ссылку найти, а лекции в МИФИ проходят оффлайн насколько я понимаю.
        • +2
          Лекции по школе МИФИ они выкладывают на сайте www.mephi.ru/students/vl/. BiON это сеть аспирантур по биотехнологиям в нейронауке www.neurobiotech.ru/ru.
          • 0
            Вау! Биотехнологии в Нейронауках!
            ребяты вы просто молодцы!
      • 0
        о! надо посмотреть чего там расскажут.
        Спасибо!
        • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
          • 0
            просто наберите в поиске Coursera neuro и/или brain
        • 0
          Спасибо за ликбез!

          Я, правда, так и не понял, что тело нейрона делает с входящими от дендридов импульсами. Просто суммирует ли?

          А еще жалко как-то, что нашлось столько видов нейротрансмиттеров… Это значительно затрудняет создание компактной само-организующейся модели для воспроизведения сего чуда.

          Жду продолжения!
          • 0
            Для феноменологического моделирования не важно какой сложно происходят биохимические процессы в клетке, важен результат, феномен. Тем более, если речь идет о построении сетевых моделей, где сам по себе большой порядок системы, поэтому там используются наиболее урезанные модели типа integrate and fire для нейронов к примеру, так как вклад отдельных каналов, как это замоделировано в уравнениях Ходжкина-Хаксли, не интересен при изучении сетевых феноменов, а именно пластичности.
            • 0
              Спасибо за ваш комментарий!

              Продолжение уже готовится.

              По поводу дендритов: по ним сигнал распространяется так же, как и по всему остальному нейрону. Но тут стоит отметить вот что: АР не могут приходить бесконечно часто — есть некоторый период времени, Refactory Period, за который натриевым и калиевым каналам надо восстановить равновесие. Поэтому если по тысяче дендритов приходят сигналы в одно и то же время, то какие-то из них будут не в состоянии пройти. В идеальном случае, если два сигнала приходят точно в одно время (скажем +- 1 мс), то они в одинаковой степени деполяризуют область мембраны и получается просто логическое ИЛИ (мы помним, что АР имеет всегда стандартную амплитуду).

              По поводу количества нейротрансмиттеров: да, симулировать brute force становится сложнее, но идеологически все понятно: есть быстрые сигналы, а есть медленные, как-бы модификаторы, которые, например, делают постсинаптическую мембрану более чувствительной. Такой модификатор должен в итоге повышать общий ритм активации нейрона, делая его более активным, что может приводить, например, к галюцинациям :)
              • 0
                По первому пункту, глупость написали… На входе все что придет, все будет обработано. АР не может генерироваться бесконечно часто… А приходить может. Тем более, что приходит он от многих клеток. АР на входе в зависимости от синапса. Деполяризует или гиперполяризует клетку. И в сумме, как только трансмембранный потенциал поднимится до порогового, произойдет генерация АР клетки. Сгенерируется он в холмике аксона и по аксону мгновенно пойдет к цели. Прибавьте еще к этому разное колличество каналов в мембране. Которое определяет сопротивление клетки. Примерно представите, что модели о которых пишут, ну ооочень сильно упрощены )
                • 0
                  мда, неточно выразился. Действительно, приходить-то они могут часто, да только кто их обработает?
            • 0
              «когда в одной части аксона появляется АР, он меняет концентрации ионов в некоей окрестности, и там происходит то же самое» — Ура, так я и думал!

              «Спрашивается, а зачем столько?» — Думаю, это химическая основа ПАМЯТИ, т.е. то что позволяет отличать один сигнал от другого.
              • 0
                «Спрашивается, а зачем столько?» — Думаю, это химическая основа ПАМЯТИ, т.е. то что позволяет отличать один сигнал от другого.
                Насколько я понял, по нейрону сигнал все равно электрический, т. е. однотипный.
              • 0
                Ну давайте для разминки… )
                1. Может ли оди нейрон иметь как NMDA (возбуждающие) так и GABA (тормозящие) синапсы?
                2. Может ли нейрон тормозной, по средствам синапсов на самого себя, тормозить сам себя..?

                • 0
                  прошу прощения, промазал с ответом — он там ниже появился.
                • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                  • 0
                    1. Согласен.
                    2. Про влияние глиальных клеток хотелось бы почитать.
                    3. Согласен, переупростил.

                    инвайта нет, сам только что пришел.
                    • +1
                      Глиальные клетки оказывают регуляторную функцию. это было показано еще в работах Araque и это не косвенное влияние за счет того, что выполняют трофическую функцию, они участвуют в формировании структуры под названием «тройственный синапс». За счет выброса ряда глиатрансммиттеров они способны регулировать возбудимость нейрона, оказывать воздействие как на пре так и на постсинаптические терминали, еще существует такое понятие как диффузная нейропередача, в которой они так же участвуют. Вообще сам синапс является сложной структурой и если внимательно посмотреть, проведя литобзор и поговорив с нейробиологами, то можно увидеть, что на уровне одной пресинаптической терминали огромное количество обратных связей, замыкающихся на саму терминаль, а если мы туда добавляем постсинаптическую терминаль и астроцит, то схема усложняется на порядок. Могу сказать, что на этом уровне организации делают диссертации и не одна экспериментальная и модельная статья вышла, но никто до конца не знает, какую роль выполняет астроцит в процессе передачи и обработки сигнала, участвует ли он в кодировании, а это пока нельзя узнать, так как непонятно как кодируется информация — фазовое кодирование, частотное, паттерны и т.д.
                      • 0
                        Если мы добавляем еще такой компонент как внеклеточный матрикс, то структура сложняется еще на порядок.
                        • 0
                          да, согласен, что там все сложно. Но думал, есть какой-то мало-мальски законченный обзор влияния нейроглии на передачу сигналов в синапсе, который я бы с удовльствием почитал.
                          В данной статье, однако, я все-таки не пытался сделать детализированный разбор взаимодействия нейронов с учетом всего и вся, а, как написано в заголовке — ликбез в нейробиологию. Иначе тут пришлось бы перепечатывать тонны литературы. Я сейчас компоную слудющие главы, ну и если интерес читателей пойдет в сторону детального изучения механизмов передачи сигналов, то да, будем вдаваться в подробности.
                          P.S. не теряйтесь, ваши комментарии очень полезны и как фидбек, и как мнение профессионала. Нейробиология ваша специальность?
                          • 0
                            Я по специальности биофизик, занимаюсь математическим моделированием в нейронауке (по другому звучит вычислительной нейронаукой или Computational neuroscience ) и моделированием нейрон-глиального взаимодействия в частности.
                            А ваша заинтересованность темой связана с профдеятельностью, учебой или хобби?
                            • 0
                              Если интересует конкретно взаимодействие нейронов с глией, то поищите по словосочетанию tripartite synapse, в частности есть неплохая работа Tomaso Fellin. Достаточно вбить в pubmed или scholar google.
                              • 0
                                А вы не из Генуи? )))

                                Просто прикольно что вы его упамянули… У нас с ним один проэкт общий ))

                                Раз уж тут… Кто в лондон едет?
                            • 0
                              Здорово!
                              в таком случае не откажусь от вашей помощи в составлении материала.
                              для меня это все началось с хобби, собственно ИИ, лет 6 назад. Так что пришлось уж почитать про биологические основы интеллекта. В будущем буду стараться сделать это профессией :)
                    • +1
                      ну что же, понеслась!
                      Во-первых, есть такое правило Дейла: все окончания аксона одного нейрона выделяют один и тот же медиатор. Но так было до открытия ко-трансмиттеров, теперь же оно звучит как-то так: все трансмиттеры нейрона хранятся и испускаются со всех его концов. Т.о., если оба трансмиттера присутствуют в нейроне, то они должны быть в каждом синапсе. Хотя из этого правила есть исключения (Sossin W.S. et al., Dale’s hypothesis revisited: different neuropeptides derived from a common prohormone are targeted to different processes., Proc Natl Acad Sci USA, 87:4845– 4848.)
                      Во-вторых, есть такие нейроны, которые содержат ингибиторные и возбуждаюшие медиаторы, например (Blitz D.M. et al., Distinct Functions for Cotransmitters Mediating Motor Pattern Selection, J Neurosci, 19(16):6774–6783.) modulatory proctolin neuron (MPN) по-разному действует на своих соседей: ингибирует MCN1/CPN2 c помощью GABA и активирует проктолином stomatogastric ganglion. Ну и в этой статье рассматривается как MPN собственно занимается такими хитрыми делами. В частности, там говорится, что несмотря на то, что проктолин вообще говоря активирует MCN1/CPN2, прокталиновая активация не происходит от MPN. Из этого всего можно сделать выводы, что либо проктолин не везде присутствует, либо что он не доходит до рецепторов из-за действия пептидазы, которая его расщепляет по пути (в статье ссылка). Так что пока не понятно, что имнно там происходит. Но как факт — да, есть такие нейроны, которые синтезируют и возбуждающие и тормозящие медиаторы, но, опять же, это скорее исключение, чем правило.
                      В-третьих, по поводу «тормозить сам себя». На рис.1 случаи E и F вполне могут привести к «самозамыканию» нейрона. Но тут, наверное, стоит отметить, что, опять же, это скорее исключение, чем правило. Причем, в случае само-торможения, дендрит просто не будет учитываться в общей статистике (1 против 10000), а в случае само-активации опять же его вклад будет незначителен и, наверное, аналогичен какому-нибудь большому модулирующему нейротрансмиттеру, или же приведет к смерти нейрона от перевозбуждения — excitotoxicity. Чисто умозрительно, но пока только так.
                      • 0
                        И таких исключений из правил ох как много ;)
                        Спасибо за труд над ответом.

                        По поводу замыкания на себя, сильно зависит где синапс. Может работать как шунт для ограничения сильно активного входа. Т.е. Располагаться близко, проксимальнее возбуждающего синапса. В голове не всегда все по статистике 1 против 1000 )
                        • 0
                          верно, учитывая что все нейроны индивидуальные, любое правило будет огрублением.
                          и то, что аксон вещает только на дендриты — тоже правило с исключениями, есть и дендрито-дендритные синапсы, и аксоно-аксонные, когда один аксон влияет на синаптические свойства другого, и даже сома-соматические контакты наблюдаются.
                          как я писал выше, если расписывать, как оно на самом деле — это не статья получится, а полноценный многотомник :)
                          Спасибо за ваши комментарии, оставайтесь с нами!
                      • +1
                        Не удержался, вставлю поразившее меня видео, ещё советское, как нейроны ещё и двигаются/создают связи (смотреть начиная с 3:10)
                        Видео



                        Одно время увлекался моделированием разных нейронных сетей.
                        И про необходимость разных нейромедиаторов додумался (в т.ч. для саморегуляции, т.к. нейромедиаторы не только выделяются при прохождении «сигнала», но ещё и есть некий «фоновый уровень» продуцируемый различными железами организма, в т.ч. и по «команде» мозга).
                        Но вот по какому принципу нейроны устанавливают связи — это мне так кажется один из самых сложных вопросов. Тут ничего внятного придумать не смог и забросил это дело.
                        • +1
                          да, у меня сложилось впечатление, что чего ни начни искать — обязательно найдешь, такое уж там дикое разнообразие. Но вот что характерно: при всем многообразии видов нейронов, их морфологии, вариантов связей и их динамики и т.д., сам мозг — довольно устойчивая, самоподдерживающаяся система, которая мало того обладает нейропластичностью, т.е. при повреждении одного участка мозга, соседние могут взять на себя его функции (в пределах разумного).
                          По поводу видео — видел я как-то замечательное видео, где на камеру засняли блуждание дендрита по аксону во время процесса запоминания новой информации, но вот никак не могу его теперь найти :( если найду — кину сюда.
                          По поводу связей в нейронах я немного не понял, в чем именно вопрос. Например на эмбриональной стадии развития нейроны ведут себя (это только упрощение! :)) как амебы, реагируя на химические сигналы и в соответствии с ними выращивают свои аксоны. Конкретные сигнальные молекулы можно нагуглить, например вот так «Molecular cues that guide the development of neural connectivity».
                      • +2
                        На мой взгляд несколько сумбурное объяснение работы нейрона. Я в принципе представляю как он работает, но и то было трудно местами понять ваши объяснения. Для желающих понять общие принципы очень рекомендую небольшие лекции khanacademy. Очень популярно, наглядно и понятно объясняют и показывают.
                        www.khanacademy.org/science/biology/human-biology/v/anatomy-of-a-neuron
                        www.khanacademy.org/science/biology/human-biology/v/sodium-potassium-pump
                        www.khanacademy.org/science/biology/human-biology/v/electrotonic-and-action-potentials
                        www.khanacademy.org/science/biology/human-biology/v/saltatory-conduction-in-neurons
                        www.khanacademy.org/science/biology/human-biology/v/neuronal-synapses--chemical
                        Есть русские субтитры (правда не проверял, ко всем ли лекциям).
                        • +1
                          отлично! пусть будет.
                          а я, да, буду стараться работать над речью :)
                          • 0
                            Если честно, то тут по-английски понятнее, чем в посте по-русски… Наверное уровень вхождения ниже и рисунки + харизма)
                          • 0
                            Да, вы забыли сказать, что каналы на самом деле активны и в состоянии покоя, так называемая фоновая активность.
                            • 0
                              цитирую: «Часть из них поддерживает определенный потенциал мембраны». Оно, не? :)
                              • 0
                                Точно! пропустил-с.
                            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                              • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь

                                Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.