Основы нейрофизиологии. Некоторые аспекты развития человеческого мозга

К своему удивлению обнаружил, что познания большинства окружающих об устройстве человеческого мозга находятся на уровне в лучшем случае середины XX века.

Постараюсь этой статьёй немного восполнить этот пробел.

Для того, чтобы вы вместе со мной могли задуматься о следующих аспектах:

• почему человеческий мозг развивается именно так, а не иначе
• почему нет идеальной стадии развития: какие есть минусы и плюсы у каждой стадии, и почему они несовместимы друг с другом
• как решить проблему поддержания функционирования мозга в хорошем состоянии при удлинении срока жизни
• чему человеческий мозг может научить ИИ

----

Новорождённый.

Вот так выглядит нейронная сеть в мозгу новорождённого человека.

Каждая полосочка с жирной точкой в одном из её мест - это нейрон.

Как видите количество связей между нейронами мало.

Соответственно, при получении входящего нервного импульса вариантов, куда дальше пойдёт сигнал, мало.

Есть жёсткие цепочки А -> Б -> С 

Это обеспечивает инстинктивное поведение малыша.

Да, поведение ребёнка на этом этапе в значительной степени обуславливается инстинктами - врождёнными программами поведения.

---

Два года

А теперь посмотрите как выглядят нейронные связи у двухлетнего ребёнка.

Видите какое сверхизобилие синапсов - мест соединения различных нейронов?

То есть при активации А у каждого нейрона есть десятки вариантов, куда дальше передать сигнал. И соответственно вместо жёсткой цепочки А -> Б -> С  после активации может быть реализован любой из многих тысяч наборов активированных Бi от Б1 до Бn. Что даёт уже миллионы различных значений на этапе C. И дальнейший рост на порядки числа вариантов при удлинении цепочки.

Что это даёт:

- возможность ускоренного обучения. Не нужно создавать новые нейронные связи - нужно просто использовать уже созданные. Есть обилие "готовых вариантов", из которых только нужно выбрать какой реализовывать.

Какие есть баги:

- обилие различных вариантов обозначает уменьшение вероятности того, что будет разыгрываться один и тот же вариант.

Всегда существует большая вероятность "ошибки" - нарушения ранее признанной успешной и рекомендованной к закреплению и повтору программы последовательной активации нейронных связей. А любое такое отклонение увеличивает риски получения непланового результата.

Отсюда проблемы с самоконтролем, проблемы с концентрацией, проблемы с результативным повторением одних и тех же действий - на уровнях гораздо больших, чем это будет свойственно взрослому человеку.

И соответственно, развитие начинает происходить в основном не за счёт возникновения и роста нейронных связей, а наоборот за счёт механизма нейроапоптоза и синаптического прунинга - за счёт сознательного уничтожения организмом избыточных нейронов и избыточных нейронных связей.

Чтобы увеличить вероятность прохождения сигнала между "нейронами" по "успешному пути", можно усиливать те нейронные связи, которые отвечают за этот путь. А можно просто уничтожать все другие связи.

Грубо говоря, если у нейрона А есть 40 синапсов, связывающих его с 40 другими нейронами, а "успешные"/"закреплённые" модели поведения говорят, что нужно активировать только 5 из этих 40, то выгодным становится уничтожение оставшихся 35.

----

14 лет

И вот мы видим результат развития нейронов и связей между ними к 14 годам.

Как видим, система, безусловно, гораздо более сложная, чем у новорождённого.

Но при этом она же и очень сильно упрощена по отношению к таковой у 2-х летнего ребёнка.

Огромное число оказавшихся "ненужными" нейронных связей были уничтожены. Как и огромное число ненужных нейронов.

При этом сохраняется "разумная" степень вариативности связей.

Это обуславливает уже гораздо более слабые способности к обучению - к получению новых знаний, чем это было в более раннем возрасте.

Но в то же время обуславливает и гораздо большую УСТОЙЧИВОСТЬ накопленных знаний - гораздо большую вероятность повторяемости одних и тех же программ и процедур.

И соответственно знания и данные начинают "храниться" более системно и упорядоченно, чётко связанными кластерами, группами.

Отсюда и работающий на практике принцип дерева при обучении. Он же принцип химической взаимосвязи.

----

ПРИНЦИП ДЕРЕВА / ПРИНЦИП ХИМИЧЕСКОЙ ВЗАИМОСВЯЗИ

Для того, чтобы новая информация была распознана, была запомнена и доступна для дальнейшего использования, массив информации должен состоять из двух частей: 

часть А - уже известное человеку, уже запомненное им, уже связанное с определёнными нейронными связями в голове. И часть Б - новые данные.

Наличие части А - позволяет найти для части Б место "прикрепления", к чему зацепиться, на основании каких имеющихся нейронных связей сохранить новые данные.

Если часть А очень мала, то большая часть Б не сможет сохраниться. Её "унесёт ветром", сможет закрепиться лишь сопоставимый с А массив Б.

При этом важная функция мозга - забывание. Очистка от ненужных данных и знаний.

Соответственно, неиспользуемые нейронные связи подлежат апоптозу - разрушению.

Поэтому:

* если вы хотите, чтобы чем можно большая часть Б в голове осталась, вам нужно иметь чем можно большую часть А.

= поэтому кружение над одной и той же темой, повторение одной и той же темы позволяет при каждом новом проходе использовать всё больший массив укоренённых данных и соответственно всё больше усваивать данных новых.

* если вы хотите, чтобы чем можно большая часть Б в голове осталась, покажите мозгу значимость этих новых данных. Чем можно чаще к ним обращайтесь.

= Попробуйте сразу же после получения новой информации сделать те или иные задания, которые потребуют от вас использования этой информации.

= И в дальнейшем чем можно чаще обращайтесь к этим же недавно усвоенным данным.

----

ПРОТИВОРЕЧИЕ МЕЖДУ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ И ОБУЧАЕМОСТЬЮ.

Как уже было отмечено выше, высокая обучаемость достигается в том случае, когда у человека уже есть "избыточные", дополнительные нейронные связи.

Но чем больше у человека есть таких дополнительных нейронных связей в той или иной зоне - тем меньше вероятность того, что он будет безошибочно/ без отклонений выполнять одни и те же задачи в этой зоне.

И, наоборот, чем сильнее у человека одна и та же жёсткая схема поведения - тем эффективнее он эту схему применяет, тем быстрее его мозг справляется с её проработкой и тратит на это он тем меньше ресурсов  - но и тем сложнее "подключить" в эту схему новые нейронные связи - новые варианты как именно себя вести.

Поэтому, грубо говоря, совет: хотите сохранять высокую степень обучаемости - учитесь и любите постоянно отклоняться от одних и тех же шаблонов поведения, но не жалуйтесь тогда, что не используете самые эффективные шаблоны, что распыляетесь.

Хотите действовать максимально эффективно и действовать постоянно по самым доказавшим свою эффективность схемам и моделям поведения - действуйте, но имейте в виду, что вы платите за это более низкой обучаемостью.

Попытки в ИИ одновременно соединить и то, и другое потому и наталкиваются на проблемы, что здесь есть внутреннее противоречие между обучаемостью и эффективностью.

Отмечу так же тот факт, что именно этот феномен является причиной того, что продуктивность умственной работы человека (смотри Drevlianin • Связь между продуктивностью умственной работы и идеалами/целями человека. (aftershock.news) ) сохраняется на высоком уровне на многие десятилетия именно у тех людей, которые занимаются творчеством в широком смысле этого слова.

Поскольку занятие творчеством означает задействование в процессе крайне широкого спектра всех существующих нейронных связей, а не только тех, что признаны наиболее эффективными.

Начинают использоваться и маленькие узкие тропки и тропиночки, а не только истоптанные постоянным хождением "шоссе". 

Это заставляет мозг эти тропки и тропиночки - тонкие нейронные связи - сохранять, а не подвергать нейроапоптозу и синаптическому прунингу. 

-----

МНОГОМЕРНОСТЬ. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТОПОЛОГИИ МОЗГА.

Поскольку мозг человека сравнительно невелик и количество нейронных связей в нём не бесконечно - для того, чтобы этот ресурс использовался экономно - одна и та же нейронная связь в нашем мозге ОДНОВРЕМЕННО отвечает за исполнение множества совершенно несвязанных для внешнего взгляда друг с другом процедур.

То есть одна и та же цепочка сигнала между нейронами "А -> Б -> С" может у вас включаться и когда, например, вы курите, и когда вы слушаете любимую песню и когда целуете жену. 

И именно это является секретом того, почему так сложно бывает изменить поведение человека. Потому что те нейронные взаимосвязи, которые отвечают у него за какую-то отдельную модель поведения НА САМОМ ДЕЛЕ постоянно актуализируются и во множестве других случаев его жизни.

То есть, как в примере выше, человек может не курить месяцами, но за это время его желание курить может совершенно не ослабнуть, потому что те же самые нейронные связи, что отвечают за тягу к курению, у него всё время продолжают актуализироваться, когда он слушает музыку и целует свою жену.

И по тем же причинам, мы зачастую можем видеть, что изменение поведения в одной части жизни у человека сопровождается изменениями и во многих других, на внешний взгляд никак не связанных.

"Он не просто курить бросил! Он вообще как будто другим человеком стал!" (с)

---

Как же мозг умудряется не запутаться в том, что одна и та же нейронная связь используется для совсем разных вещей?

За это отвечают гормоны. Гормональный фон в организме является как бы цветовым кодом, который говорит организму как именно следует понимать актуализированную сейчас ту или иную цепочку взаимосвязей между нейронами.

И поэтому дублирование по сути возможно в человеческом мозге и возникает именно там и только там, где одни и те же нейронные связи актуализируются при различном гормональном фоне.

---

КАРТИНА МИРА И ЭКОНОМИЯ РЕСУРСОВ

Я думаю, что сейчас уже все знают, что у человека постоянно появляются и новые нейроны - происходит нейрогенез.

Но не все понимают и знают, что численность таких новых нейронов крайне незначительна. Можно даже сказать, незначима.

Поэтому взрослому человеку приходится рассчитывать практически только лишь на те нейроны, которые у него уже есть. И на те нейронные связи, которые уже есть.

Убить часть из них апоптозом и прунингом - легко. Нарастить новые - сложно.

И энергетически дорого. 

Нужно множество и времени и ресурсов, чтобы при разрушении части старых, хотя бы выйти на прежний уровень сложности нейронной сети.

Именно по этой причине мы, человеки, крайне не любим пересматривать свою картину мира.

Если какой-то факт противоречит уже сложившейся картине мира - зачастую проще игнорировать факт, чем внести изменения в эту  нашу картину мира.

И это биологически обоснованное, энергетически эффективное решение.

Если существующая картина мира - а значит существующие нейронные связи (а мы уже выше выяснили, что большинство из них многомерны - и отвечают заодно за множество вроде бы несвязанных друг с другом разных сценариев поведения) в целом позволяет человеку на приемлемом уровне эффективности взаимодействовать с окружающей средой, получать из неё ресурсы и выживать - это уже огромная ценность. За которую человек держится.

Попытка пересмотра этой картины будет обозначать резкий рост рисков. Ведь это необходимость "удаления" множества существующих в мозге процедур - и постепенной многомесячной разработки вместо них новых. С неясной перед началом этого процесса итоговой степенью эффективности новой системы взглядов.

Именно поэтому люди зачастую склонны наступать по 10 раз на одни и те же грабли, получая неприятный, плохой, но предсказуемый и не фатальный результат - вместо того, чтобы отказаться от существующей модели поведения и столкнуться с неясным заранее уровнем риска.

Именно поэтому зачастую реальные изменения в поведении наступают только из-за ситуации критического стресса - когда организм понимает, что действующая картина мира не позволила избежать пипеца - а значит, в ней есть катастрофические изъяны, а значит налицо существование критической важности её пересмотреть.

И именно по этим же причинам большинство споров на АШе обречены на безрезультатность. Потому что каждый из собеседников будет держаться за свою картину мира до последнего.

И всё это биологически обусловленный, энергетически эффективный процесс защиты действующей модели функционирования организма - модели, обеспечившей и обеспечивающей ему выживаемость.