§ 0.1. Некоторые сведения из нейрофизиологии

Структурным элементом мозга является нервная клетка или нейрон. В нейроне различают тело (сому), отходящие от него короткие отростки - дендриты, обладающие весьма многообразными функциями, и длинный отросток - аксон (по которому импульсы идут от нейрона). Аксон оканчивается на отростках и теле других нейронов или идет к исполнительным органам - эффекторам^*. Дендриты могут иметь длину порядка 6 мм и ветвятся, так что в области разветвления дендритов одного нейрона может проходить свыше 200 ООО аксонов,'принадлежащих другим нейронам. Длина аксона достигает 1 м, причем на конце аксон разветвляется, образуя более или менее густую сеть. Объем крупного нейрона составляет около 0,001 мм³ [6]. Нервная система человека насчитывает (12÷15)-109 нейронов. Форма нейронов связана со специфической функцией нервной ткани. В зависимости от связей и направления проходящего в них импульса нервные клетки подразделяются на чувствительные, двигательные и вставочные. У чувствительных нейронов дендриты соединены со специальными чувствительными аппаратами- рецепторами^**, а аксоны - с другими нейронами; у двигательных нейронов дендриты соединены с другими нейронами, а аксоны - с каким-нибудь исполнительным органом-эффектором; у вставочных нейронов и дендриты, и аксоны соединяются с другими нейронами. Непосредственному исследованию наиболее доступны двигательные нейроны спинного мозга - мотонейроны. Основные сведения о работе нейрона получены на мотонейронах. Мотонейрон имеет тело клетки около 70 мк в поперечнике и радиально отходящие от него многочисленные ветвящиеся дендриты. Из тела клетки берет начало двигательное нервное волокно (аксон мотонейрона); оно постепенно сужается и на расстоянии 50-100 мк от тела клетки покрывается так называемой миелиновой оболочкой, обладающей изолирующими свойствами. Участок аксона, не покрытый миелиновой оболочкой, играет большую роль в функционировании нейрона. В нем возникает нервный импульс.

^* (Эффекторы (клетки мышц и желез) являются элементами, посредством которых реализуются рефлекторные ответы организма на раздражения.)

^** (Рецепторы - клетки органов чувств, воспринимающие раздражения и преобразующие их в нервные импульсы.)

Нормальная функция нейрона состоит в порождении (при определенных условиях) и передаче нервного импульса. Импульс представляет собой единый ответ на достаточно разнообразные возбуждения. Время срабатывания нейрона колеблется между 10^-4 и 10^-2 сек. Скорость распространения импульса 150 м/сек в толстых аксонах и менее 1 м/сек - в тонких [6]. Так как короткие аксоны обычно бывают тонкими, а длинные - толстыми, то время распространения импульса по аксону не играет роли при определении времени прибытия импульсов в неодинаково удаленные от одного источника точки. Импульс распространяется вдоль одного нейрона за 3-10сек, время прохождения импульса через синапс^* 10^-3 сек нейрон может быть снова возбужден только через 10^-2 сек.

Общее рассеяние энергии в мозгу достигает примерно 10 вт, т. е. 10⁹ вт на нейрон [7].

По некоторым оценкам из сравнения линейных размеров, объемов и рассеяния энергии вытекает, что естественные элементы мозга эффективнее элементов современных ЭЦВМ примерно в 108 - 109 раз. Однако по быстродействию первые уступают вторым примерно в 10⁴ - 10⁵ раз [8].

В зависимости от функционирования специальных механизмов, специфику действия которых мы здесь не будем рассматривать, нейрон получает через синапсы возбуждающие и тормозящие воздействия. Некоторые авторы (например, [9]) отмечают также наличие еще одного типа волокон, которые оканчиваются не на соме, а на возбуждающем пресинаптическом волокне, образуя аксо-аксональные синапсы. Будучи в активированном состоянии, эти волокна предотвращают прохождения возбуждения по пресинаптическому волокну, на котором они оканчиваются. При определенном соотношении возбуждающих и тормозящих сигналов происходит возбуждение нейрона, выражающееся в генерировании выходного импульса длительностью примерно в 0,005 сек при постоянной амплитуде. Таким образом, возбуждение нейрона происходит при определенном пороговом значении, которое определяет режим функционирования нейрона. Иначе говоря, условием возбуждения нейрона является одновременное наличие достаточного числа возбуждающих импульсов, причем минимальное число, при наличии которого возбуждение еще происходит, называется порогом данного нейрона. Пороги не остаются неизменными, а в зависимости от ряда факторов флуктуируют. Колебания возбудимости отдельных нейронов являются проявлением одного из коренных их свойств, которое не может не учитываться при моделировании нейронных сетей. Флуктуации порогов вызывают изменения выполняемых нейронами функций.

^* (Синапсами называются места контактов отростков одного нейрона с отростками или самой других нейронов.)

Таким образом, сложное взаимодействие падающих на нейрон влияний при постоянных колебаниях его возбудимости приводит к тому, что генерация нейроном выходного импульса наступает тогда, когда преобладание возбуждающих синаптических влияний над тормозными достигает критической величины, равной порогу "срабатывания" механизма, генерирующего импульс.

Особенности работы этого механизма в общем подчиняются закону "все или ничего", и при определенных упрощениях можно считать, что нейрон находится в одном из двух возможных состояний (возбужден или не возбужден). Количественные характеристики реакций нейронов нестабильны и колеблются около некоторого среднего уровня.