Уровни организации ЦНС. Мозг и информация

1.

УРОВНИ ОРГАНИЗАЦИИ ЦНС.
МОЗГ И ИНФОРМАЦИЯ
Уровни организации ЦНС
Строение и функции нервной ткани.
Потенциал покоя, потенциал действия
ВПСП, ТПСП
Мозг и информация: основные парадигмы
Организация процесса обработки информации. Иерархическая организация нервных центров

2.

Уровни организации ЦНС.
• Нервная система высших позвоночных подразделяется на:
• центральную:
• головной мозг;
• спинной мозг;
• периферическую:
• соматическая – управление тонусом и сокращениями скелетных мышц;
• вегетативная – управление деятельностью внутренних органов.
• Центральная нервная система выполняет в организме функции первостепенной
важности:
• обеспечивает точную регуляцию всех процессов внутри организма, их координацию и
интеграцию, благодаря чему все органы и системы действуют согласованно, а организм
представляет собой единое функциональное целое;
• обеспечивает связь организма с постоянно меняющейся внешней средой.

3.

• В процессе эволюции у разных видов представителей органического мира
сформировались три типа строения нервной системы:
• Сетчатый – характер ответной реакции диффузный, обеспечивающий простейшие
таксисы, например, ответные реакции на раздражение, проявляющиеся, в основном,
движением (пресноводная гидра); (Рис А и Б)
• Ганглионарный тип – ответная реакция сегментарная (брюшная нервная цепочка у
насекомых); (Рис. В)
• Трубчатый тип – у высших животных и человека. (Рис. Г)
В
Г

4.

Первый уровень интеграции – нейрон
Основной структурной и функциональной единицей нервной системы является
нейрон, представляющий собой нервную клетку с отростками. По форме нейроны
могут быть звёздчатые, овальные, округлые, пирамидальные. В организме
животных насчитывается от 16 до 200 мрлд. нервных клеток, причем 90% их
находится в ЦНС.
• Каждый нейрон является: анатомической, генетической, функциональной,
поляризационной(проводит нервный импульс только в одном направлении),
• рефлекторной единицами:
• . В связи с этим нейроны делятся на:
• афферентные (чувствительные, рецепторные), проводящие импульсы от органов
чувств к нервному центру (вне пределов ЦНС);
• эфферентные (моторные, секреторные, пусковые), тела, которых находятся или в
ЦНС или в нервных узлах вне ЦНС, а аксоны направляются к рабочим органам;
• вставочные (ассоциативные, промежуточные, сочетательные) – тела нейронов, все
отростки находятся в ЦНС, связывают первые два вида.
Погибшие нейроны не возмещаются VS нейрогенез

5.

Второй уровень интеграции – нейронные сети
Этот уровень интеграции обеспечивается координационной деятельностью
элементарных нервных сетей, которая возможна из-за специфики
морфологических отношений в ЦНС:
• дивергенция – (явление, когда одно пресинаптическое волокно многократно
делится, образуя синаптические контакты сразу со многими нейронами).
• конвергенция – явление, когда на одном нейроне сходится несколько
афферентных терминалей из других отделов ЦНС
• временная суммация – явление, отмечающееся в том случае, если через один
афферентный вход к нейрону приходят два подпороговых раздражителя
• пространственная суммация возникает в случае, если подпороговые
раздражители приходят к нейрону через два отдельных входа, это также может
привести к суммации ВПСП (возбуждающих) потенциалов, возникающих в двух
пространственно разделенных зонах клеточной мембраны;
• окклюзия – физиологический феномен, возникающий при одновременной
стимуляции двух входов нейронов
Координирующая функция локальных нервных сетей помимо усиления может
проявляться ослаблением слишком интенсивной активности нейронов за счёт их
торможения.

6.

Третий уровень интеграции – нервный центр
Нервный центр или центр нервной системы представляет собой
группу рядом расположенных нейронов, тесно связанных между
собой структурно и функционально и выполняющих общую
функцию в рефлекторной регуляции жизнедеятельности
организма.
• В нервном центре происходит восприятие, анализ поступающей
информации и передача ее на другие нервные центры или
эффекторы. Поэтому каждый нервный центр имеет свою систему
афферентных волокон, посредством которых он приводится в
активное состояние, и систему эфферентных связей, которые
проводят нервное возбуждение к другим нервным центрам или
эффекторам. Различают периферические нервные центры,
представленные узлами (ганглиями): чувствительными,
вегетативными. В центральной нервной системе различают:
• ядерные центры – скопления нервных клеток в виде локальных
групп – ядер;
• корковые центры – в виде обширных расселений нейронов по
поверхности мозга, образующих его кору.

7.

Третий уровень интеграции – Функциональная система
Функциональная система П.К. Анохина - это схематичная модель основных блоков
мозга, обеспечивающих целенаправленное поведение, т.е. поведение,
направленное на достижение определённой цели. Она отражает более сложный
нервный механизм, обеспечивающий поведение, по сравнению с рефлекторными
дугами.

8.

• Нервные центры, даже связанные с одной функцией, могут быть расположены в различных отделах мозга. Например,
дыхательный центр представляет собой совокупность нервных образований спинного, продолговатого, среднего,
промежуточного мозга и коры больших полушарий.
• Деятельность центров базируется на нескольких общих принципах работы:
• доминанта – господствующий очаг возбуждения, определяющий характер текущих реакций центров в данный момент
времени
• одностороннее проведение возбуждения через нервные центры – в ЦНС импульсы проходят только в одном
направлении: с афферентного нейрона на эфферентный
• задержка проведения в синапсах и время рефлекса
• иррадиация возбуждения – это способность возбуждения широкой волной разливаться по ЦНС от центра к центру во
всех направлениях
• конвергенция – свойство нервных центров, противоположное иррадиации – схождение нервных импульсов от
нескольких центров к одному
• циркуляция нервных импульсов по замкнутым нейронным цепям
• инертность
• временная и пространственная суммация
• обмен веществ в нервных центрах
• утомляемость нервных центров
• пластичность нервных центров
• Торможение( первичное и вторичное)

9.

Строение и функции нервной ткани.

10.

Нейрон
• Нервная клетка со всеми отходящими от неё отростками.
• Структурно-функциональная единица нервной системы?

11.

12.

Нейроглия — совокупность вспомогательных
клеток нервной ткани. Составляет около 40 %
объёма ЦНС. По последним исследованиям,
количество глиальных клеток (глиоцитов) в
мозге примерно такое же, как и нейронов
(раньше считалось, что глиальных клеток в 810 раз больше).

13.

Свойства нейронов
№
Свойства
нейрона
Процесс в
основе
Рецептор Афферентный
нейрон
Вставочный
нейрон
Эфферентный
нейрон
1
Восприятие
возбуждения
Локальный
потенциал
+
+
+
+
2
Проведение
возбуждения
Нервный импульс
-
+/-
+
+
3
Передача
возбуждения
Химический
выброс
+
+
+
+
4
Пластичность
синапсов
Изменение силы синапсов
+
+
+

14.

Си́напс (греч. σύναψις, от συνάπτειν —
соединение, связь)
• — место контакта между двумя
нейронами или между нейроном и
получающей сигнал эффекторной
клеткой. Служит для передачи нервного
импульса между двумя клетками,
причём в ходе синаптической передачи
амплитуда и частота сигнала могут
регулироваться. Передача импульсов
осуществляется химическим путём с
помощью медиаторов или
электрическим путём, посредством
прохождения ионов из одной клетки в
другую.
• Термин был введён в 1897 г. английским
физиологом Чарльзом Шеррингтоном.

15.

16.

нейромедиаторы (нейротрансмиттеры) — биологически активные химические вещества,
посредством которых осуществляется передача электрохимического импульса от нервной
клетки через синаптическое пространство между нейронами, а также, например, от нейронов к
мышечной ткани или железистым клеткам.

17.

Виды синапсов
• химический — это место близкого прилегания двух нервных клеток, для передачи
нервного импульса через которое клетка-источник выпускает в межклеточное
пространство особое вещество, нейромедиатор, присутствие которого в
синаптической щели возбуждает или затормаживает клетку-приёмник.
• электрический (эфапс) — место более близкого прилегания пары клеток, где их
мембраны соединяются с помощью особых белковых образований — коннексонов
(каждый коннексон состоит из шести белковых субъединиц). Расстояние между
мембранами клетки в электрическом синапсе — 3,5 нм (обычное межклеточное — 20
нм). Так как сопротивление внеклеточной жидкости мало (в данном случае), импульсы
через синапс проходят, не задерживаясь. Электрические синапсы обычно бывают
возбуждающими.
• смешанные синапсы — пресинаптический потенциал действия создает ток, который
деполяризует постсинаптическую мембрану типичного химического синапса, где преи постсинаптические мембраны не плотно прилегают друг к другу. Таким образом, в
этих синапсах химическая передача служит необходимым усиливающим механизмом.

18.

19.

Потенциал покоя
мембранный потенциал возбудимой клетки
(нейрона,
кардиомиоцита)
в
невозбужденном
состоянии.
Он
представляет собой разность электрических
потенциалов, имеющихся на внутренней и
наружной сторонах мембраны и составляет
у теплокровных от −55 до −100 мВ. У
нейронов и нервных волокон обычно
составляет −70 мВ.
• Возникает вследствие диффузии положительно заряженных ионов калия в окружающую
среду
из
цитоплазмы
клетки
в
процессе
установления
осмотического
равновесия. Анионы органических кислот, нейтрализующие заряд ионов калия в
цитоплазме, не могут выйти из клетки, однако ионы калия, концентрация которых в
цитоплазме велика по сравнению с окружающей средой, диффундируют из цитоплазмы
до тех пор, пока создаваемый ими электрический заряд не начнёт уравновешивать
их градиент концентрации на клеточной мембране.

20.

Потенциал
Действия
волна возбуждения, перемещающаяся по
мембране живой клетки в виде кратковременного
изменения
мембранного
потенциала
на
небольшом участке возбудимой клетки (нейрона
или кардиомиоцита), в результате которого
наружная поверхность этого участка становится
отрицательно заряженной по отношению к
внутренней поверхности мембраны, в то время,
как в покое она заряжена положительно.
Потенциал действия является физиологической
основой нервного импульса.
Благодаря работе «натрий-калиевого насоса» концентрация ионов натрия в цитоплазме
клетки очень мала по сравнению с окружающей средой. При проведении потенциала
действия открываются потенциал-зависимые натриевые каналы и положительно заряженные
ионы натрия поступают в цитоплазму по градиенту концентрации, пока он не будет
уравновешен положительным электрическим зарядом. Вслед за этим потенциал-зависимые
каналы инактивируются и отрицательный потенциал покоя восстанавливается за счёт
диффузии из клетки положительно заряженных ионов калия, концентрация которых в
окружающей среде также значительно ниже внутриклеточной.

21.

По́стсинапти́ческий потенциа́л (ПСП)
• —
это временное изменение потенциала постсинаптической мембраны в ответ на сигнал,
поступивший с пресинаптического нейрона. Различают:
• возбуждающий
постсинаптический
постсинаптической мембраны, и
• тормозной
постсинаптический
постсинаптической мембраны.
потенциал
потенциал
(ВПСП),
(ТПСП),
обеспечивающий
обеспечивающий
деполяризацию
гиперполяризацию
• ВПСП
приближает потенциал клетки к пороговому значению и облегчает возникновение
потенциала действия, тогда как ТПСП, напротив, затрудняет возникновение потенциала действия.
Условно вероятность запуска потенциала действия можно описать как потенциал покоя + сумма
всех возбуждающих постсинаптических потенциалов - сумма всех тормозных постсинаптических
потенциалов > порог запуска потенциала действия.
• Отдельные
ПСП обычно невелики по амплитуде и не вызывают потенциалов действия в
постсинаптической клетке, однако в отличие от потенциалов действия они градуальны и могут
суммироваться. Выделяют два варианта суммации:
• временная — объединение пришедших по одному каналу сигналов (при поступлении нового
импульса до затухания предшествующего)
• пространственная — наложение ВПСП соседних синапсов

22.

Механизм возникновения ПСП
• При
поступлении потенциала действия к пресинаптическому
окончанию нейрона происходит деполяризация пресинаптической
мембраны и активация потенциал-зависимых кальциевых каналов.
Кальций начинает поступать внутрь пресинаптического окончания
и вызывает экзоцитоз везикул, наполненных нейромедиатором.
Нейромедиатор выбрасывается в синаптическую щель и
диффундирует к постсинаптической мембране. На поверхности
постсинаптической
мембраны
медиатор
связывается
со
специфическими белковыми рецепторами (лиганд-зависимыми
ионными каналами) и вызывает их открытие.

23.

МОЗГ И ИНФОРМАЦИЯ: ОСНОВНЫЕ ПАРАДИГМЫ
• В историческом аспекте рассматриваются две
парадигмы: 1) мозг есть инструмент для формирования
модели мира 2) сам мозг (сенсориум) есть модель мира
- соответственно информационная парадигма (ИП) и
модельная парадигма (МП).
• Мозг отражает (моделирует) мир. Существуют
различные взгляды по поводу этого процесса. Первая
интерпретация может быть выражена формулой "в
мозгу есть модель", вторая - формулой "сам мозг
из нейронов есть модель".

24.

• Согласно первой интерпретации, доминирующей до сих пор,
картина мозговых процессов выглядит следующим образом:
информация о внешнем мире кодируется рецепторами, в
импульсной форме по сенсорным путям она поступает в мозговые
центры, где декодируется, обрабатыватся, интерпретируется и
сохраняется в виде некоторой энграммы (модели), из которой
снова извлекается в процессе мышления.
• Центральным понятием в этой интерпретации является понятие
"информации" - как некоторой базовой сущности. Поэтому эту
интерпретацию называют "информационной парадигмой (ИП)".
Ключевым моментом в ИП является то,
что нейрон рассматривается в ней как полифункциональный
элемент. Это означает, что, в зависимости от содержания
сходящейся на нейроне и имеющейся у него информации,
последний выдает на выходе, образно говоря, разные
предложения, закодированные разными импульсными
паттернами.

25.

• Вторая интерпретация предполагает, что сами нейроны мозга (а не что-то другое)
поставлены в соответствие объектам и свойствам среды и, таким образом, сам мозг
есть нейронная модель. Соответствие нейронов оригиналу проявляется при
актуализации последнего: воздействующие объекты и свойства активируют только
соответствующие этому оригиналу рецепторы и нейроны. Реализует соответствие
специальный механизм - механизм реализации соответствия. В такой интерпретации
не остается места ещё для какой-либо сущности, кроме оригинала и модели. Эту
интерпретацию именуют "модельной парадигмой (МП)". В МПинтерпретации нейрон по определению монофункционален. Образно говоря,
данный нейрон всегда выдаёт на выходе одно и тo же предложение (свойство "все или
ничего"), независимо от импульсного паттерна. Другими словами нейрон является
специализированным детектором входного признака.

26.

• Сравнивая описания, сделанные в терминах ИП и МП, можно увидеть скрывающиеся за
информационными терминами, определяемые в терминах МП, понятия: за термином
"информация" скрываются понятия, модель или промежуточная модель, или сам
оригинал; за термином "кодирование" - процесс построения нейронной модели, то есть,
постановка в соответствие элементам оригинала и оригиналу как целому элементов
модели и формирование МРС этого соответствия; за терминами "передача и извлечение
информации" - воздействие оригинала на МРС и актуализация соответствующих
элементов в модели и т.д. Кажется очень вероятным, что в терминах МП можно описать и
более простые, то есть не-живые, "информационные" системы, тем более, что
количественная теория информации полностью приложима и для МП-интерпретации
"информационных" процессов. Такими же искусственно привнесенными являются,
очевидно, и некоторые проблемные вопросы в отношении мозга, формулируемые в
терминах - ИП (извлечение и запись в ДП, взаимодействие ДП и КП, и другие. Помимо
объяснительной значимости, МП, снимая ряд этих вопросов, открывает перспективы для
конструктивного решения ряда других проблем, в частности, проблемы
принципиальной нейронной архитектуры сенсорных, языковой, моторных и других систем
мозга, проблемы "значения", проблемы творческого мышления - попытка этого была
предпринята в данной и предшествующих работах.

27.

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОЦЕССА ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ.
ИЕРАРХИЧЕСКАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ НЕРВНЫХ ЦЕНТРОВ
• Уровни функциональной организации ЦНС:
• 1) нейрон – решающее устройство первого уровня,
его задача – кодирование информации;
• 2) модуль – решающее устройство второго уровня,
его задача – обработка информации;
• 3) нервный центр – командное устройство, его задача
– формирование сообщений;
• 4) функциональная система, ее задача – реализация
определенных функций.

28.

Принципы обработки информации:
• Изучение мозга – это фактически изучение того, как он обрабатывает информацию. Современная наука
представляет себе этот процесс в самом общем виде, и выглядит это следующим образом:
• – обработка происходит в форме последовательных этапов, каждый этап реализуется определенным
нервным центром;
• – на каждом из этапов выполняется уникальная операция;
• – система функционирует по принципу отрицательной обратной связи: решение нервным центром
задачи прерывает его активность.
• Такой алгоритм обработки информации возможен благодаря тому, что нервные центры находятся в
иерархическом соподчинении. Иерархическая организация нервных центров выражается в
следующем:
• – нижележащий центр является информационным по отношению к вышележащему;
• – вышележащий центр является управляющим по отношению к нижележащему.
• В результате каждый нервный центр, входящий в определенную иерархическую систему, имеет два
входа и два выхода .
• Вход из нижележащего центра является информационным, вход из вышележащего центра –
управляющим. Выход, направленный вверх является информационным, выход, направленный вниз, –
управляющим.

29.

Входы и выходы нервного центра:

30.

БЛАГОДАРЮ ЗА
ВНИМАНИЕ
Денисова Екатерина Геннадьевна
denisovakeith@gmail.com
аудитория 8-312 (лаборатория «Психофизиология и психогенетика»)