Обработка информации в анализаторах

Мы много говорили о регуляции функций клеток и организма. Теперь попытаемся сопоставить механизмы работы анализатора и регуляции функций организма, рассмотрев схему на рисунке 1.5.24. В ней обобщены механизмы работы органов и систем органов, по П.К. Анохину (теория функциональных систем) и К.В. Судакову (система регуляции артериального и осмотического давления). Проследив по рисунку за направлением светлых стрелок, можно отметить однонаправленность и последовательность процессов регуляции, а также замкнутость контура системы.

Прежде чем рассматривать механизмы обработки информации, вспомним несколько определений и будем периодически возвращаться к этому рисунку. Анализатор (выделен на схеме темным фоном) – совокупность центральных и периферических образований, воспринимающих и анализирующих изменения окружающей среды и внутренней среды организма. По функциональному значению выделяют периферический (воспринимающий), проводниковый (передающий информацию) и центральный, или корковый (расположенный в коре полушарий головного мозга) отделы анализатора. Периферический отдел анализатора представлен рецепторами (рисунок 1.5.24 и 1.5.25). Отметим, что органы чувств (раздел 1.5.2.10) по сути – те же рецепторы, реагирующие на определенные внешние стимулы. Рецепторы улавливают изменения показателей текущего состояния, а затем проводят первичный анализ информации: сравнивают полученные значения с генетически запрограммированными, заданными как эталон (норма). Другими словами, они выдают информацию о разности текущего и заданного значений параметра. Специфичность рецепторов заключается в их способности воспринимать раздражитель только определенного вида. Например, зрительный рецептор воспринимает только электромагнитные волны с длиной волны 390-760 нанометров (свет, цвет), слуховые рецепторы – только звуковые волны в диапазоне от 16 Герц до 20 000 Герц, вкусовые и обонятельные рецепторы фиксируют химический состав пищи или вдыхаемого воздуха и так далее.

Как объяснить такую “узкую специализацию” органов чувств и рецепторов вообще? Согласно одной из теорий, вынужденные колебания светового луча порождают резонансные колебания только рецепторов сетчатки. Другие рецепторы (обоняния, вкуса, тактильные и другие) имеют иные частоты собственных колебаний и поэтому на световой луч не реагируют (не вступают в резонанс). В зависимости от источника стимулов (возмущающих воздействий), на которые реагирует рецептор, различают три группы рецепторов (рисунок 1.5.25).

Экстерорецепторы (от латинского exterus – находящийся снаружи, внешний) воспринимают раздражение извне: звук, свет, запах, вкус, прикосновение, боль, температуру окружающих предметов и другие характеристики. Проприорецепторы (от латинского proprius – собственный) улавливают изменения в состоянии опорно-двигательного аппарата. Они воспринимают сокращение мышечных волокон, натяжение сухожилий и связок, положение отдельных частей тела (согнута в колене нога, поднята вверх рука и так далее). Интерорецепторы (от латинского interior – внутренний) располагаются во внутренних органах, тканях, в стенках кровеносных и лимфатических сосудов. Интерорецепторы регистрируют изменение химического состава (например, уровень глюкозы в крови или соляной кислоты в желудочном соке), давление, механические и другие изменения характеристик внутренней среды организма.

Полученная информация через проводниковое звено анализатора посредством нервной, гормональной, метаболической и миогенной систем регуляции (рисунок 1.5.24) передается в центры головного мозга и, в частности, лобные доли коры полушарий, отвечающие за сознание. Информация анализируется, после чего вырабатывается управляющий сигнал, поступающий посредством нервных, гормональных, метаболических и миогенных механизмов к эффекторам. Эффекторы здорового организма под влиянием управляющего воздействия корригируют параметры текущего состояния, подстраивая их до нормальных (эталонных) значений, что фиксируется рецепторами. Круг замкнулся. Отметим, что внешние факторы могут оказывать воздействие (показано темными стрелками) на любое из звеньев механизма регуляции и влиять (негативно или позитивно) на результат – значение исследуемого параметра.

Как осуществляется процесс передачи информации? Как некий объект окружающей среды оставляет “отпечаток” в нашем сознании? Где хранится архив таких “отпечатков”? Попробуем ответить на эти вопросы.

В ответ на раздражение в рецепторах кодируется качественная характеристика раздражителя (свет, звук), сила, время и локализация его действия, а также месторасположение источника воздействия в окружающем пространстве. Например, свойства предмета (форма, цвет, размер, удаленность объекта), попавшего в наше поле зрения, в рецепторах сетчатки кодируются в результате фотохимических реакций, а затем перекодируются в электрический импульс нервного волокна. В проводниковом отделе анализатора при передаче сигнала от одного нейрона к другому происходит смена информационного кода. Поясним это на примере. Электрический сигнал мембранного потенциала при “переключении” в синапсе преобразуется в химический (выделение определенной “порции” медиатора) и наоборот, во втором нейроне химический сигнал вызывает электрический импульс. Таким образом, информация о внешнем стимуле многократно кодируется и перекодируется, пока сигнал возбуждения не достигнет центрального (коркового) отдела анализатора. Отметим, что смысловое значение передаваемого сигнала обычно остается прежним, и лишь при определенных негативных обстоятельствах содержание информации может искажаться в большей или меньшей степени.

	Информация об объекте в процессе восприятия, передачи и обработки сигнала многократно кодируется и перекодируется. При этом смысловое значение информации обычно сохраняется.

Для каждого раздражителя эволюция нашла свой оптимальный способ передачи информации. Для многих периферических нервных волокон была установлена логарифмическая зависимость между интенсивностью раздражителя и частотой вызываемых им вынужденных колебаний. Существует множество моделей, описывающих механизм передачи информации в нейронных сетях.

В процессе передачи информации могут принимать участие одновременно множество рецепторов и нервных волокон (рисунок 1.5.26). На роль ансамбля нейронов в кодировании и передаче информации в человеческом организме впервые указал Д. Хебб. Ансамбль нейронов – это группа нейронов, имеющая общий для них раздражитель. Д. Хебб высказал предположение, что информация передается исключительно через возбуждение группы нейронов, он предложил рассматривать ансамбль нейронов в качестве основного способа кодирования и передачи информации. Разные наборы возбужденных нейронов одного и того же ансамбля соответствуют разным параметрам раздражителя. То же происходит и с эфферентными (центробежными) сигналами. Разные наборы сигналов эфферентных звеньев соответствуют разным реакциям эффекторов. Такой способ передачи информации вполне надежен, так как не зависит от состояния одного нейрона.

Особый принцип обработки информации вытекает из детекторной теории. Он получил название принципа кодирования информации номером детектора (детекторного канала). Передача информации по номеру канала (термин предложен Е.Н. Соколовым) означает, что сигнал следует по цепочке нейронов, конечное звено которой представлено нейроном-детектором простых и сложных признаков, избирательно реагирующим на определенный физический признак или их комплекс. Такой подход присутствовал уже в опытах И.П. Павлова с кожными анализаторами собаки. Раздражение некоторого участка кожи вызывало очаг возбуждения в строго определенном участке коры головного мозга, отвечающий за соматические раздражения (раздражение участков тела).

Нейрон-детектор представляет вершину иерархически организованной нейронной сети (ансамбля нейронов). На более высоком уровне несколько нейронов сходятся на одном нейроне-детекторе, образуя его локальную нейронную сеть (рисунок 1.5.26). Величина возбуждения, возникающего в ансамбле нейронов и переданного на детектор, характеризуется силой возбуждения и его направленностью в виде суперпозиции возбуждений внутри ансамбля нейронов.

Несмотря на большие успехи, достигнутые при изучении нейронных процессов и функций различных групп нейронов, современная наука располагает значительно меньшими данными об интегративных механизмах мозга. Следует остановиться на понятии гностической единицы – нейроне более высокого порядка, на котором сходятся нейроны-детекторы. Возникновение в сознании целостного субъективного образа предмета связано с пирамидой последовательных нейронных преобразований, вершиной которой является операция, выполняемая гностической единицей (Е.Н. Соколов, 1996). Отдельным зрительным образам соответствуют отдельные гностические единицы. Они избирательно реагируют на сложные изображения (например, лица, жесты).

	Иерархически организованная нейронная сеть организма сходится на гностических единицах.

В итоге, поступающая в виде нервных импульсов информация перекодируется в структурные и биохимические реакции в гностических единицах. В коре головного мозга осуществляется высший анализ и синтез поступившей информации. Анализ заключается в том, что с помощью возникающих ощущений мы различаем действующие раздражители качественно (свет, звук, тепло и другие характеристики) и количественно (сила, продолжительность и локализация действия раздражителя), а также определяем месторасположение источника звука, света или запаха. Синтез реализуется в узнавании известного предмета, явления или в формировании образа впервые встречаемого предмета, явления. Узнавание явления или предмета в целом по совокупности восприятия отдельных характеристик раздражителя достигается в результате сличения поступающей в данный момент информации со следами памяти.

	Без сличения ощущений со следами памяти узнавание невозможно.

Если информация о предмете или явлении поступает в корковый отдел анализатора впервые, то формируется образ нового предмета, явления благодаря взаимодействию нескольких анализаторов. Но и при этом идет непрерывное сопоставление поступающей информации со следами памяти о других подобных предметах и явлениях. Поступившая в виде нервных импульсов информация кодируется в мозге с помощью механизмов долговременной памяти. Выделенные элементарные признаки синтезируются в долговременной памяти в передневентральной височной коре на гностических нейронах. Выполняется принцип:

	Один образ – один гностический нейрон.

Отображение воспринимаемого объекта в гностической единице характеризуется высокой степенью абстракции. При изменении размера, ориентации, цвета объекта гностический нейрон продолжает сохранять избирательность своей реакции на прежний объект. Осознание объекта в процессе его восприятия связывают с дополнительным свойством пирамиды образов. Оно реализуется механизмом синхронизации электрической активности мозга в диапазоне гамма-частот.

Итак, процесс передачи сенсорного сообщения сопровождается многократным перекодированием информации и завершается высшим анализом и синтезом, которые происходят в корковом отделе анализатора. После этого реализуется выбор или формирование алгоритмической программы ответной реакции организма.