Нейроны, синапсы, нейронные сети

Структурной единицей нервной системы является нервная клетка — нейрон. Основное ее свойство — способность находиться в нескольких устойчивых состояниях и переключаться между ними. Состояние нейрона изменяется при электрохимическом взаимодействии с рецепторами через аксоны (нервные волокна) и с другими нейронами через межнейронные соединения — синапсы.

Значительных успехов в понимании свойств нервной системы удалось добиться, рассматривая ее как совокупность формальных нейронов (то есть упрощенных моделей нейронов реальных), связанных в нейронные сети.

В простейшей модели формального нейрона, предложенной в 1943 г. У. Мак-Каллоком и У. Питтсом, считается, что нейрон может находиться в двух состояниях: возбужденном и заторможенном. Возбуждение нейрона может стимулировать возбуждение или торможение других нейронов, с которыми он связан синапсами. Действие синапса зависит от деталей его устройства и характеризуется не только знаком (воз­буж­да­ю­щий или тормозящий), но и силой: возбуждающее действие на нейрон одного синапса может оказаться более эффективным, чем тормозящее действие нескольких других синапсов, и наоборот.

Оказывается, что всего из нескольких нейронов, обладающих перечисленными свойствами, можно строить весьма эффективные управляющие и перерабатывающие информацию системы. Например, у небольшого морского моллюска ангела (Clione) имеется группа всего из пяти нейронов, которая обеспечивает ритмичную работу плавников, восстановление ритма после сбоев, сохранение правильного порядка сокращений «сгибающей» и «разгибающей» мышцы даже при значительном изменении частоты колебаний.

У низших животных — плоских червей, кишечнополостных (на­при­мер, морских звезд или губок), моллюсков — нейроны распределены более или менее равномерно по всему телу. Даже у осьминогов, обладающих развитым головным мозгом, две трети из 200 миллионов нейронов центральной нервной системы сосредоточены в щупальцах и заняты непосредственно управлением конечностями осьминога.

Совсем иное дело у высших животных. Например, головной мозг человека содержит около 100 миллиардов нейронов, причем большинство из них специализированы на переработке информации. Эти специализированные нейроны обладают миниатюрными размерами, но зато образуют многочисленные — до двух тысяч — синаптические связи с соседними такими же клетками. Информация от рецепторов (на­при­мер, колбочек и палочек сетчатки глаза) возбуждает непосредственно связанные с ними нейроны (первый слой). В свою очередь, через синаптические связи это приводит к избирательному возбуждению нейронов второго слоя, и так далее. Распределение, характер и сила синапсов в нейронной сети таковы, что, в конечном счете, исходная информация о распределении освещенности по сетчатке оказывается разложенной на смысловые элементы — форму, положение, удаленность, характер движения и другие характеристики наблюдаемого объекта.