Структура и свойства биологического нейрона

Нервная система и мозг человека состоят из нейронов, со­единенных между собой нервными волокнами. Нейрон представляет собой особый вид клеток, обладающих электрической активностью. Нервные волокна способны передавать электрические импульсы между нейронами. Все процессы передачи раздражений от кожи, ушей и глаз к мозгу, процессы мышления и управления действиями реализованы в живом организме как передача электрических импульсов между нейронами.

Нейрон является особой биологической клеткой, обрабатывающей информацию. Он состоит из тела (сомы) и отростков нервных волокон двух типов – дендритов, по которым принимаются им­пульсы, и единственного аксона, по которому нейрон может передавать импульс. Тело нейрона включает ядро, кото­рое содержит информацию о наследственных свойствах, и плазму, обладающую молекулярными средствами для производства необ­ходимых нейрону материалов. Нейрон получает сигналы от аксонов других нейронов через дендриты и пе­редает сигналы, сгенерированные телом клетки, вдоль ак­сона, который в конце разветвляется на волокна, на окончаниях которых находятся синапсы, влияющие на величину им­пульсов.

Синапс является элементарной структурой и функциональным узлом между двумя нейронами (волокно аксона одного нейро­на и дендрит другого). Когда импульс достигает синаптического окончания, высвобождаются химические вещества, называемые нейротрансмиттерами. Когда достигается некоторое крити­ческое значение потенциала, называемое пороговым, возникает элек­трический импульс, который как волна распространяется по аксону на следующий нейрон.

Нейротрансмиттеры диффундируют через синаптическую щель, возбуждая или затормаживая, в зависимости от типа синапса, способность нейрона-приемника генерировать положительные электрические импульсы. Результативность передачи импульса синапсом может настраиваться проходящими через него сигнала­ми так, что синапсы могут обучаться в зависимости от активности процессов, в которых они участвуют. Эта зависимость от предыс­тории действует как память, которая, возможно, ответственна за память человека. Важно отметить, что веса синапсов могут изме­няться со временем, а значит, меняется и поведение нейронов.

Кора головного мозга человека содержит около 10¹¹ нейро­нов и представляет собой протяженную поверхность толщиной от 2 до 3 мм с площадью около 2200 см². Каждый нейрон связан с 10³-10⁴ другими нейронами. В целом мозг человека содержит приблизительно от 10¹⁴ до 10¹⁵ взаимосвязей.

Нейроны взаимодействуют короткими сериями импульсов продолжительностью несколько миллисекунд. Сообщение передается посредством частотно-импульсной модуляции. Частота может изменяться от нескольких единиц до сотен герц, что в миллион раз медленнее, чем быстродействующие электронные схемы. Тем не менее, сложные задачи распознавания человек решает за несколько сотен миллисекунд. Эти решения контролируются сетью нейронов, которые имеют ско­рость выполнения операций всего несколько миллисекунд. Это означает, что вычисления требуют не более 100 последователь­ных стадий. Другими словами, для таких сложных задач мозг «за­пускает» параллельные программы, содержащие около 100 шагов. Рассуждая аналогичным образом, можно обнаружить, что количе­ство информации, посылаемое от одного нейрона другому, должно быть очень малым (несколько бит). Отсюда следует, что основная информация не передается непосредственно, а захватывается и распределяется в связях между нейронами.