Чтобы понять, как работает мозг, нужно представить его морфологическое строение и разобраться в особенностях взаимодействия образующих его элементов. Науки, изучающие принципы работы мозга, называются нейрофизиология, нейропсихология. Благодаря исследованиям в области устройства и функционирования мозговых структур появилась возможность создания искусственного интеллекта.
Характеристика
Человеческий мозг – функциональная система, которая не изолирована от окружающего мира, работает в результате постоянного снабжения питательными веществами, как источниками поддержания жизнедеятельности. Мозг потребляет около 20% энергии, расходуемой всем организмом. При этом его доля в массе организма составляет 2%. Простые расчеты показывают, что расход энергии мозговым веществом осуществляется в 10 раз интенсивнее, чем другими тканями.
Изучение механизмов деятельности мозговых структур увеличивает вероятность скорого создания искусственного интеллекта, идентичного живому мозгу человека. Анатомическая структура ЦНС и физиологические процессы, протекающие в ней, достаточно хорошо изучены. Принцип работы мозга основан на передаче нервных импульсов между нейронами (клетки, образующие нервную ткань).
Возбуждение нейрона происходит при суммарном увеличении порогового значения сигналов, воспринимаемых многочисленными входами. Нейрон, находясь в возбужденном состоянии, передает сигнал, который проходит по ветвящимся нервным волокнам в пределах мозгового вещества или направленных к исполнительным органам. На протяжении пути сила сигнала без посторонних влияний сохраняется на изначальном уровне.
Показатель потенциала возбуждения нервной клетки равен разности величин электрохимических потенциалов. Длительность возбуждения определяется объемом питательных веществ, которые в рамках превращения в энергию в течение единичного цикла возбуждения трансформируются в электрический сигнал. Возбуждение нервной клетки продолжается ограниченный период времени не зависимо от продолжительности возбуждающего стимула.
Чтобы понять, как работает наш мозг, нужно представить порядок образования первичных импульсов. Первичные сигналы возникают в результате взаимодействия организма с окружающей средой. Входящая информация воспринимается рецепторами, расположенными в коже, органах зрения, слуха и обоняния (рецепторы зрительной, обонятельной, слуховой, тактильной чувствительности).
Внешние сигналы передаются от рецепторов в мозговые структуры и центры, где они обрабатываются для дальнейшей коррекции деятельности органов и систем с учетом изменений, произошедших во внешней среде. Количество синаптических связей между нервными клетками увеличивается в процессе обучения. На фоне обучения формируются новые пути передачи импульсов, которые накапливают приобретенный опыт.
Механизмы хранения и интерпретации входящей информации совмещены функционально. В рамках изучения вопроса, как работает головной мозг человека, важно определить информационную емкость ЦНС. Чтобы оценить этот показатель, нужно вспомнить порядок взаимодействия нейронов, который предполагает контакт выхода и входа. В первом случае речь идет об аксоне 1-го нейрона, во втором – о дендрите следующей нервной клетки.
Учитывая количество нейронов, образующих ЦНС (около 15 млрд.), а также количество аксонов-выходов (у 1-го нейрона единственный аксон) и дендритов-входов (у 1-го нейрона около 10 тыс. дендритов), ученые подсчитали, что информационная емкость мозгового вещества составляет около 300 Тбайт. Наглядно представить подобный объем можно при помощи сравнения с количеством информации, которую вмещает бумажная страница – 6 Кбайт.
Чтобы получить печатное издание, равное по информационному объему человеческому мозгу, нужно взять 50 млн. томов, в каждом из которых по 1 тыс. страниц. Наш мозг устроен так, что успевает одновременно выполнять множество задач, как обучение, реакции на внешние стимулы, поддержание повседневных функций в рамках обычной жизни.
Принципы деятельности мозговых структур
Головной мозг (ГМ) – многофункциональная система, которая выполняет функцию восприятия и переработки информации. В задачи мозговых структур входит формирование адекватного отклика на внешние воздействия и изменение условий среды. Благодаря работе ГМ индивид адаптируется к внешней среде, что обеспечивает его выживание. Нейроны – структурные единицы нервной ткани.
Нейрональные сети образованы из взаимодействующих между собой нейронов. Задачи нейрональных сетей включают обработку и хранение информации, поддержание интеллектуально-мнестической деятельности, осуществление когнитивных процессов. Обработка поступающих сведений происходит в корковых отделах. Одно из важных свойств ЦНС в процессе мозговой деятельности формировать следы случившихся событий с возможностью их дальнейшего использования.
Эта особенность ГМ поддерживает одновременное эффективное выполнение многочисленных функций. След события представляется в виде связи, возникшей между двумя нервными клетками в предыдущих эпизодах восприятия и усвоения информации. Благодаря наличию подобных следов человек способен прогнозировать последствия действий, влияний и уклоняться от опасности.
Увеличение количества активных нейронов и числа связей между ними способствует повышению функциональности ЦНС. Нейрон не способен отслеживать источник возбуждающего воздействия – внешнего стимула. Возбуждение нервной клетки определяется величиной поступающего сигнала и состоянием входов. Связи формируются между рецепторами и взаимодействующими с ними нервными клетками, нейронами-эффекторами, которые передают сведения к исполнительным органам.
Нейрональная сеть образована миллионами нейронов, связанных между собой механическим образом – ответвлениями в виде аксонов и дендритов. Сигнал, который поступил извне через рецептор, может долго блуждать в пределах сети пока не угаснет в результате перехода от одной клетки к другой или не достигнет эффекторного (исполнительного) органа – мышцы, желез.
Если представить процессы физиологии в контексте формирования мыслей, передача информации по нейрональной сети выглядит, как последовательное падение костей домино. Принцип домино основан на падении следующей кости, когда ее подталкивает предыдущая. Фрагменты мысли текут безостановочно по мере передачи возбуждения внутри нейрональной сети.
Нейрон, перешедший в стадию возбуждения, остается в таком состоянии пока не истрачены питательные вещества. Когда запас питательных веществ иссякает, нервная клетка переходит с состояние покоя. Для возобновления активности ей требуется накопить питательные вещества. Ученые полагают, что людям необходим сон, чтобы нервные клетки восстанавливали работоспособность.
Искусственный интеллект
Использование принципов деятельности мозга положено в основу создания искусственного интеллекта. Работа мозга строится на асинхронной активности нейронов. Следы произошедших событий фиксируются в виде новых синаптических связей, возникающих между нейронами, пребывающими в возбужденном состоянии.
Исследования в области искусственного интеллекта показывают, на базе представлений о работе мозга создаются искусственные системы, способные к воспроизведению человеческой речи, поддержанию разговора в рамках определенной темы, распознаванию лиц и предметов, моделированию ответных реакций в соответствии с условиями текущей ситуации.
Принципы работы головного мозга положены в основу устройства-автопилота, которое управляет автомобилями, самолетами, промышленными станками без участия человека. Искусственный интеллект подразумевает способность машины самостоятельно обучаться на основе приобретенного опыта. Это означает, что после определенного периода времени работающая машина будет обладать большими знаниями, чем на момент ее создания разработчиками.
Специфика машин, обладающих искусственным интеллектом, заключается в демонстрации человеческих моделей поведения. Такие системы, получив входящие исходные сведения, способны проанализировать информацию и сделать логические выводы, например, на основе перечисленных симптомов поставить больному точный диагноз. Фундаментом современных систем искусственного интеллекта служит воспроизведенная нейрональная сеть.
Первый слой искусственных нейронов воспринимает сообщение, информацию, поступающую из внешней среды. Второй слой обрабатывает данные, третий – формирует адекватный результат. Результаты в сфере разработки искусственного интеллекта впечатляют. По данным статистики, система точно ставит диагноз онкологическим больным с раком легких в 90% случаев. Для сравнения врачам удается поставить точный диагноз в 50% случаев.
Современные системы способны к самообучению. Они анализируют опыт своей работы и корректируют результаты своих выводов. Например, система, призванная играть с человеком в шахматы, проанализировав результаты миллиона сыгранных партий, улучшает свою тактику. Самый простой вариант искусственной интеллектуальной системы – приложение для мобильного телефона, которое распознает голос владельца и выполняет голосовые команды.
Интересные факты
Некоторые исследователи сравнивают мозг с квантовым компьютером, который способен предугадывать результат действий человека с учетом принципов теории вероятности, выдавая одновременно несколько вариантов возможных исходов, выбирая оптимальную модель поведения.
Причем на выполнение миллионов вычислительных операций у мозга уходит несколько секунд. Интересные факты о деятельности мозговых структур:
- Мозг лучше справляется с творческими задачами, когда человек чувствует небольшую усталость. Объяснение феномена кроется в невозможности тщательно отфильтровывать постороннюю информацию, что заставляет взглянуть на задачу нестандартно, наталкивает на необычные идеи.
- Объем мозга уменьшается у людей, постоянно испытывающих стресс. Уменьшение общего объема происходит за счет сокращения размеров гиппокампа – отдела, ответственного за функции памяти (хранение и воспроизведение накопленных сведений).
- Сон благотворно влияет на мозговую деятельность – повышает производительность мыслительных процессов, улучшает память.
- Формирование новых синаптических контактов между нейронами происходит в процессе обучения, изучения и запоминания новых сведений.
- Нервные клетки восстанавливаются – речь идет о глиальных клетках, которые образуют мозговое вещество наряду с нейронами.
- Скорость движения нервных импульсов в нейрональной сети составляет порядка 440 км/ч.
- Общая протяженность аксонов (ответвлений нейронов) равняется около 160 тыс. км, что в 4 раза превышает длину окружности земли в области экватора.
- Мозговые клетки не способны существовать без кислорода и глюкозы.
Мозг человека содержит триллионы синаптических контактов. Мозговая деятельность протекает продуктивно, если человек получил образование и занимается самообразованием, поддерживает позитивные социальные контакты, регулярно занимается спортом, подвергается дозированным физическим нагрузкам.
Поняв, как работает мозг, человек сможет создавать искусственные интеллектуальные системы, способные быстро решать сложные задачи (разработка эффективных лекарств, инженерное проектирование, оптимизация любых видов деятельности).
