Из этой главы вы узнаете. Как мозг передает телу свои команды? Выбор алгоритма машинного обучения

Иван Ожиганов Октябрь 20, 2015

Вернуть возможность движения людям, потерявшим конечности или утратившим способность двигаться – одна из актуальных задач мирового медицинского сообщества. Однако прежде чем заставить двигаться руку парализованного пациента или протез, необходимо классифицировать сигналы головного мозга для нейрокомпьютерного интерфейса.

Последний представляет собой систему, созданную для обмена информацией между мозгом и цифровым устройством, чтобы управлять моторикой. Именно нейрокомпьютерный интерфейс позволит пациентам обрести движение.

С целью исследования и подготовки информации для создания нейрокомпьютерного интерфейса, R&D отдел компании Azoft совместно с компанией Expasoft и Сергеем Алямкиным принял участие в конкурсе “Grasp-and-Lift EEG Detection” от Kaggle. Согласно условиям конкурса, перед участниками стояла задача за 2 месяца - с наименьшей вероятностью ошибки - определить и систематизировать различные движения правой руки, используя при этом ЭЭГ (электроэнцефалограмму) или запись электрической активности головного мозга.

Для реализации задачи нам потребовалось создать модель, которая позволит классифицировать движения правой руки по данным электроэнцефалограммы. Работа над моделью состояла из нескольких этапов: изучения биологических аспектов задачи, препроцессинга данных, выделения характерных признаков сигнала и выбора алгоритма машинного обучения.

Биологические аспекты проекта

Изучив существующие данные о головном мозге, необходимые для нашей задачи, мы выяснили, что:

Препроцессинг данных

Следующим шагом нашей команды стала подготовка данных, в ходе которой мы осуществили фильтрацию и децимацию данных. К основным объектам изучения в сигнале электроэнцефалограммы относятся движение глаз, движение электродов, сокращения мышц головы и сердца, сетевая помеха в 50-60 Гц. Помехи, вызванные движением глаз, электродов и мышц, в сравнении с полезным сигналом, располагаются в области более низких частот – от 0,1 Гц до 6 Гц. Поэтому было решено использовать полосовой фильтр с полосой пропускания от 7 до 30 Гц. Важно, чтобы цифровая фильтрация вносила наименьшие искажения в сигнал, поэтому был выбран фильтр с конечной импульсной характеристикой.

Что касается децимации – понижения частоты дискретизации данных, то её понизили с 500 до 62,5 Гц. Поскольку максимальная полезная частота составляет 30 Гц, то, учитывая теорему Найквиста, частота дискретизации должна быть больше 60 Гц.

Выявление признаков сигнала головного мозга

Мы использовали несколько разных методов выделения характерных признаков сигнала. Это было необходимо для сокращения количества входных данных, исключения лишнего и повышения точности классификации сигналов головного мозга. Среди испробованных методов были: метод главных компонент, выбор электродов с точки зрения биологии и вейвлет-преобразование.

В итоге пришлось отказаться от метода главных компонент, потому что при вычислении обязательной в данном способе матрицы с помощью SVD (singular value decomposition – сингулярного разложения) предполагается, что глубинные сигналы мозга взаимно ортогональны. А они, судя по результатам экспериментов, не взаимно ортогональны. Кроме этого, количество датчиков в нашем эксперименте сводилось к 32, что не является достаточным для хорошей SVD. Для неортогональных сигналов нужно использовать ICA (independent component analysis) – метод независимых компонент. ICA мы не успели попробовать.

При выборе электродов мы опирались на их пространственное расположение. Электроды, с которых предоставлялись данные, на следующем рисунке помечены цифрами от 1 до 32.

Выбрав нужные электроды, мы решили сосредоточиться на вейвлет-преобразовании в качестве выделения необходимых характерных признаков. Существует негласный принцип выбора вейвлета: вид базовой вейвлет-функции должен быть схожим с характерным обрабатываемым сигналом. Данный способ позволяет анализировать “тонкую” структуру сигналов засчет одновременной локализации и по частоте, и по времени.

Выбор алгоритма машинного обучения

Выбирая алгоритм машинного обучения, сначала мы решили использовать уже хорошо знакомые нам свёрточные нейронные сети, которые входят в алгоритмы глубинного обучения. Свёрточные нейронные сети – это один из наиболее востребованных вариантов нейронных сетей, который уже зарекомендовал себя с двумерными сигналами (например, изображениями). Однако такие сети могут работать и с одномерными сигналами.

С помощью свёрточной нейронной сети мы выявили, что 4096 отсчётов (до децимации) дают наименьшую вероятность ошибки в конечной модели. Полученная модель позволила нам получить площадь под кривой ROC, равную 0.91983.

Полученная модель, где CL – свёрточный слой, MP – map pooling, FC – полносвязный слой, FM – количество масок с характерными признаками, kernel_x – размер ядра, stride – размер шага.

Вторым исследуемым алгоритмом стали «случайные деревья» или «случайный лес», поскольку на сегодня этот способ является одним из самых популярных в области классификации. Алгоритм состоит из ансамбля решающих деревьев, для каждого из которых из общей выборки генерируется своя выборка. Мы не успели опробовать структуру “вейвлет-преобразование + случайный лес”, поскольку не учли, что вейвлет-преобразование является весьма затратной по времени задачей.

Третьим алгоритмом машинного обучения, выбранным нами для исследования, стали RNN или рекуррентные нейронные сети. Это нейронные сети, в которых есть обратные связи. Биологические нейронные сети являются рекуррентными. В них есть память, что позволяет не подавать историю сигнала в сеть.

Мы провели множество опытов с рекуррентной нейронной сетью, опробовали разные архитектуры и задержки в обратных связях. Сеть не обучалась. Возникли проблемы с памятью – не удавалось создать сложную сеть с числом слоев более двух. Тогда мы пришли к выводу, что нужно использовать специальный вид нейронных сетей LSTM (Long Short Term Memory). Тем не менее, сложность LSTM алгоритма предполагает гораздо более глубинное исследование, чем позволяли условия конкурса. По этим причинам мы остановились на данном этапе, не получив завершенного результата по LSTM.

Выводы

В результате проведённых опытов наша команда получила высокое качество классификации сигналов головного мозга в процессе движения руки. Благодаря метрике качества “площадь под кривой ROC”, полученной в результате использования свёрточных нейронных сетей, мы убедились в эффективности алгоритмов глубинного обучения в классификации сигналов различного рода.

Это позволяет нам с уверенностью заключить, что свёрточные нейронные сети – один из лучших существующих на сегодня методов машинного обучения для создания нейрокомпьютерного интерфейса. Проще говоря, дайте нам электрические сигналы с вашего мозга, и мы скажем вам, что вы делали.

Вопросы в начале параграфа.

Вопрос 1. Что относится к центральной, а что - к периферической нервной системе?

Как у всех позвоночных, нервная система человека состоит из центральной и периферической частей. К центральной части относятся головной и спинной мозг, к периферической - нервы и нервные узлы.

Вопрос 2. Какие нервы относятся к чувствительным, а какие - к исполнительным и смешанным?

Различают чувствительные, исполнительные и смешанные нервы.

По чувствительным нервам сигналы идут в центральную нервную систему. Они информируют мозг о состоянии внутренней среды и событиях, происходящих в окружающем мире. Исполнительные нервы несут сигналы от мозга к органам, управляя их деятельностью. Смешанные нервы включают как чувствительные, так и исполнительные нервные волокна.

Вопрос 3. Где находится спинной мозг?

Спинной мозг лежит в позвоночном канале. Он представляет собой цилиндрический тяж диаметром около 1 см. Вверху спинной мозг переходит в головной, внизу оканчивается на уровне второго поясничного позвонка пучком отходящих от него нервов, напоминающим конский хвост.

Вопрос 4. Каково его строение?

На передней и задней поверхностях спинного мозга проходят глубокие борозды, делящие его на две половины, соединенные в глубине центральной перемычкой. В самом центре спинного мозга проходит центральный канал, также заполненный спинномозговой жидкостью.

Вокруг центрального канала располагается серое вещество, состоящее из тел нейронов и их дендритов. Оно занимает всю центральную часть спинного мозга и тянется сверху донизу в виде серых столбов. На поперечном разрезе серое вещество имеет вид бабочки.

Белое вещество располагается в наружной части спинного мозга. Оно содержит массу нервных волокон, связывающих нейроны спинного мозга между собой, а также с нейронами головного мозга.

Вопрос 5. В чем проявляется рефлекторная и проводящая функции спинного мозга?

Спинной мозг выполняет рефлекторную и проводящую функции.

Когда спинной мозг выполняет рефлекторную функцию, рефлекторная дуга замыкается на уровне спинного мозга. Это, однако, не значит, что головной мозг не получает информацию о спинномозговых рефлексах: пациент чувствует удар и движение ноги. В мозг эта информация приходит по восходящим путям, благодаря проводящей функции спинного мозга. Она же позволяет снизить или повысить рефлекторный эффект, совершать произвольные действия. Например, по желанию мы можем задержать движение ноги или преднамеренно качнуть ею. Это возможно потому, что из головного мозга по нисходящим путям к нейронам спинного мозга поступают возбуждающие или тормозящие сигналы.

Вопросы в конце параграфа.

Вопрос 1. Что такое нервное волокно?

Нервное волокно - это длинный отросток нервной клетки, который покрыт оболочкой. Нервные волокна, соединяясь, слагают нервные пучки, а несколько пучков образуют отдельные нервы.

Вопрос 2. Чем различаются чувствительные, исполнительные и смешанные нервы?

Они отличаются по функциям. Чувствительные передают нервные импульсы от органов чувств и внутренних органов в мозг, исполнительные передают ответные нервные импульсы от мозга соответствующим органам, смешанные включают в себя как чувствительные, так и исполнительные нервные волокна и осуществляют соответственно обе функции.

Вопрос 3. Где расположен спинной мозг?

Спинной мозг расположен внутри позвоночного столба. Он начинается от головного мозга и заканчивается на уровне второго поясничного позвонка. Ниже находится пучок нервов, напоминающий конский хвост и называемый так же.

Вопрос 4. Как выглядит спинной мозг на поперечном сечении?

На поперечном сечении спинной мозг имеет округлую форму. В его передней и задней поверхности имеются глубокие борозды. В самом центре проходит центральный канал. Вокруг центрального канала располагается серое вещество. На поперечном разрезе серое вещество имеет вид бабочки. В наружной части спинного мозга располагается белое вещество.

Вопрос 5. Какую функцию выполняют задние и передние столбы серого вещества спинного мозга?

Через передние столбы из спинного мозга выходят двигательные волокна. Через задние столбы в спинной мозг входят чувствительные волокна.

Тематический тест по разделу «Нервная система человека»

Тест состоит из частей А,В и С. На его выполнение отводится 26 минут.

Варианты 1- 2(2 вариант выделен полужирным шрифтом)

Часть А

Выберите 1 правильный,по вашему мнению, ответ.

А1.Как называется короткий отросток нейрона

а)аксон б)дендрит

в)нерв г)синапс

А 1 .Как называется длинный отросток нейрона

а)аксон б)дендрит

в)нерв г)синапс

А2.К периферической нервной системе относят

А2. К центральной нервной системе относят

а)головной мозг и нервы б)спинной мозг и нервные узлы

в)нервы и нервные узлы г)спинной и головной мозг

А3.Сигналы идут в центральную нервную систему по нервам

А3 .Сигналы от мозга к органам передаются по нервам

а)чувствительным б)исполнительным

в)смешанным г)все ответы верны

А4.Сколько пар нервов отходит от спинного мозга

а)30 б)31

в)32 г)33

А4 .Сколько отделов имеется в головном мозге

а)3 б)4

в)5 г)6

А5.Серое вещество мозга образованно

А5. Белое вещество мозга образованно

А)дендритами б)телами нейронов

в)аксонами г)дендритами и телами нейронов

А6.Куда стекается вся информация от органов чувств

а)гипоталамус б)таламус

А6 .Какой отдел головного мозга обеспечивает координацию движения

а)гипоталамус б)таламус

в)большие полушария г)мозжечок

А7.В пределах центральной нервной системы находятся

А7. К мышце или внутреннему органу нервный импульс поступает по

а)рецептор б)вставочный нейрон

в)чувствительный нейрон г)двигательный нейрон

А8.Центр жажды и голода находится в

в)мост г)средний мозг

А8 .Постоянство внутренней среды организма контролируется

а)кора головного мозга б)промежуточный мозг

в)мост г)средний мозг

А9.Обонятельные и вкусовые зоны находятся в …. доле

а)лобной б)височной

в)затылочной г)теменной

А9 .Нейроны зрительной зоны находятся в… доле

а)лобной б)височной

в)затылочной г)теменной

А10.Верны ли следующие суждения?

А. Рефлекс начинается с раздражения рецепторов.

Б.В рефлекторную дугу входят рецепторы, головной мозг и рабочий орган

А10 .Верны ли следующие суждения?

А. Рефлексы, приобретённые в процессе жизни,называют безусловными.

Б. Рефлекторной дугой называют путь,по которому сигналы от рецептора идут к исполнительному органу.

а)верно только А б)верно только Б

в)верны оба суждения г)оба суждения неверны

Часть В

В1.Выберите 3 правильных,по вашему мнению, ответа из 6 и запишите цифры, под которыми они указаны.

Какие особенности характерны для вегетативной нервной системы

4)регулируется гипоталамусом

В1 .Выберите 3 правильных,по вашему мнению ответа,из 6 и запишите цифры, под которыми они указаны.

Какие особенности характерны для соматической нервной системы

1)управляет внутренними органами, гладкой мускулатурой

2)подчиняется волевому контролю

3)не подчиняется воле человека

4)регулируется гипоталамусом

5)центром её является кора больших полушарий головного мозга

6)регулирует работу поперечнополосатой мышечной ткани скелетных мышц

В2.Установите соответствие между отделами головного мозга и их функциями

Функции отделы

А. регулирует работу органов левой части туловища 1.правое полушарие

Б. отвечает за способности к музыке и изобразительному искусству 2.левое полушарие

В. контролирует речь, а также способности к чтению и письму

Г. отвечает за логику и анализ

Д. с пециализируется на обработке информации, которая выражается в символах и образах

Е. регулирует работу органов правой части туловища

Ответ:

В2 .Установите соответствие между отделами головного мозга и их функциями

Впишите в таблицу цифры выбранных ответов

Функции отделы

А. регуляция мышечного тонуса 1.средний мозг

Б. центр слюноотделения и глотания 2.продолговатый мозг

В. центр вдоха и выдоха

Г. отвечает за ориентировочный рефлекс

Д.регулирует величину зрачка и кривизну хрусталика

Е.находится центр защитных рефлексов

Ответ:

Впишите в таблицу цифры выбранных ответов

Функции подотделы

А. активизируется в экстремальных условиях 1. симпатический

Б. снижает артериальное давление 2. парасимпатический

В. повышает тонус скелетных мышц

Г. увеличивается содержание сахара в крови

Д. активизируется работа органов пищеварения

Е. расширяются кожные сосуды

Ответ:

В3. Установите соответствие между подотделами нервной системы и их функциями

Впишите в таблицу цифры выбранных ответов

Функции подотделы

А. называют системой отбоя 1. симпатический

Б. повышает артериальное давление 2. парасимпатический

В. дыхание становится более ровным и глубоким

Г. уменьшается содержание сахара в крови

Д. органы пищеварения затормаживают свою деятельность

Е. сосуды кожи суживаются,кожные покровы бледнеют

Ответ:

С1.Какая доля коры головного мозга находится под №2 какие центры находятся в ней?

С1 .какая доля коры головного мозга находится под №1, какие центры находятся в ней?

С2. Почему парасимпатический подотдел вегетативной нервной системы называют «системой отбоя»?

С2. Почему симпатический подотдел вегетативной нервной системы называют «системой аварийных ситуаций»?

Задание А

№ варианта										А10

Задание В.

№ варианта
	1,3,4

………………………………………

о строении и функциях спинного и головного мозга, нервов и нервных узлов, о врождённых и приобретённых рефлексах, о функционировании соматического и автономного (вегетативного) отделов нервной системы

9.1. Значение нервной системы

Нервная система обеспечивает относительное постоянство внутренней среды организма . Обмен веществ в каждом орга­низме осуществляется непрерывно. Одни вещества расходуют­ся и выводятся из организма, другие поступают извне. Мозг, а вместе с ним и железы внутренней секреции автоматически поддерживают равновесие между поступлением и использова­нием веществ, обеспечивая колебание жизненно важных по­казателей в допустимых пределах. Благодаря этому поддер­живается гомеостаз, относительное постоянство внутренней среды: кислотно-щелочное равновесие, количество минераль­ных солей, кислорода и углекислого газа, продуктов распада и питательных веществ, в крови - величина артериального давления и температура тела.

Нервная система согласует работу всех органов . Чтобы удовлетворить свои потребности, организму приходится про­являть активность. Надо найти пищу, укрыться от непогоды, уйти от преследования, встретиться с особью противополож­ного пола и т. п.

Работу по согласованию действий органов в организме вы­полняет нервная система. Она определяет порядок сокраще­ния мышечных групп, интенсивность дыхания и сердечной де­ятельности, осуществляет контроль и коррекцию результатов действия. Напомним, что по прямым связям идут «приказы» мозга, адресованные органам, а по обратным связям - сигна­лы в мозг от органов, информирующие, насколько успешно эти «приказы» выполнены. Последующее действие не пройдёт, пока не будет выполнено предыдущее и не будет достигнут по­ложительный эффект.

Нервная система обеспечивает выживание организма как целого. Чтобы выжить, организму необходимо получать ин­формацию об объектах внешнего мира. Вступая в жизнь, че­ловек постоянно сталкивается с определёнными предметами, явлениями, ситуациями. Некоторые из них для него необхо­димы, некоторые опасны, другие безразличны.

С помощью органов чувств нервная система осуществляет опознание объектов внешнего мира, оценку их, запоминание и переработку полученной информации, направленной на удовлетворение возникающих потребностей. Наконец, она участвует в организации деятельности, которая приводит к удовлетворению возникающих потребностей.

Даже безразличные на первый взгляд сведения могут стать сигналами жизненно важных событий и оказаться полезными. Мозг способен нормально работать только тогда, когда он полу­чает и перерабатывает информацию извне. Изоляция человека на длительный срок приводит к психическим расстройствам.

Мозг и психика. Психика - это субъективное отражение окружающей действительности. Она включает различные процессы, такие как восприятие, память, воображение, мыш­ление, волю и чувства, умения и навыки, а также привычки, интересы, способности.

Субъективность психики заключается в том, что возникаю­щие в сознании образы и переживания нельзя непосредствен­но передать другому человеку. Можно лишь рассказать о них, изобразить, но не «вложить» их в чужую голову.

Головной мозг обеспечивает осуществление психических процессов. Однако суть психической деятельности и поступ­ков людей определяется не только мозгом, но и обстановкой, в которой находится человек.

В этом и заключается сущность воспитания. С раннего детства каждый человек усваивает определённые правила, действующие в том или ином обществе. Они в значительной степени определяют поведение человека и его материальные и духовные запросы.

9.2. Строение нервной системы. Спинной мозг

Части нервной системы. Как у всех позвоночных, нервная система человека состоит из центральной и периферической частей. К центральной части относятся головной и спинной мозг, к периферической - нервы и нервные узлы (рисунок 26).

Рисунок 26 – Нервная система:

1 - головной мозг; 2 - спинной мозг; 3 - нервы; 4 - нервные узлы (отмечены точками красного цвета)

В центральной нервной системе сосредоточено большое число нейронов. Их тела вместе с дендритами образуют серое ве­щество мозга. На поверхности головного мозга они образуют кору, а их скопления внутри белого вещества образуют ядра. Тела нейронов периферической нервной системы находятся в особых скоплениях - нервных узлах.

Длинные отростки, покрытые оболочками, образуют нерв­ные волокна. В центральной нервной системе они образуют белое вещество, а на периферии входят в состав нервов.

Различают чувствительные, исполнительные и смешанные не­рвы. По чувствительным нервам сигналы идут в центральную нервную систему. Они информируют мозг о состоянии внутрен­ней среды и событиях, происходящих в окружающем мире. Ис­полнительные нервы несут сигналы от мозга к органам, управ­ляя их деятельностью. Смешанные нервы включают как чувст­вительные, так и исполнительные нервные волокна.

Спинной мозг лежит в позвоночном канале (рисунок 27А). Он представляет собой цилиндрический тяж диаметром около 1 см. Вверху спинной мозг переходит в головной, внизу окан­чивается на уровне второго поясничного позвонка пучком от ходящих от него нервов, напоминающим конский хвост.

Спинной мозг находится в спинномозговой жидкости. Она выполняет роль тканевой жидкости, обеспечивая постоянство внутренней среды, и предохраняет спинной мозг от толчков и сотрясений.

На передней и задней поверхностях спинного мозга прохо­дят глубокие борозды, делящие его на две половины, соеди­нённые в глубине центральной перемычкой. В самом центре спинного мозга проходит центральный канал, также запол­ненный спинномозговой жидкостью.

Вокруг центрального канала располагается серое вещество, состоящее из тел нейронов и их дендритов (рисунок 27Б). Оно за­нимает всю центральную часть спинного мозга и тянется свер­ху донизу в виде серых столбов. На поперечном разрезе серое вещество имеет вид бабочки.

Белое вещество располагается в наружной части спинного мозга. Оно содержит массу нервных волокон, связывающих нейроны спинного мозга между собой, а также с нейронами головного мозга.

Различают восходящие нервные пути, по которым нервные импульсы идут к головному мозгу, и нисходящие нервные пу­ти, по которым возбуждение идет от головного мозга к цент­рам спинного мозга.

Спинной мозг выполняет рефлекторную и проводящую функции. Вспомним, как осуществляется коленный рефлекс. Врач ударяет молоточком по сухожилию четырех­главой мышцы пациента. Возникшее в рецепторах возбужде­ние направляется в спинной мозг, затем через синапсы пере­ключается на исполнительные нейроны. Они посылают нерв­ные импульсы к мышцам ноги, и она приходит в движение. Этот безусловный спинномозговой рефлекс происходит непро­извольно. Когда спинной мозг выполняет рефлекторную функ­цию, рефлекторная дуга замыкается на уровне спинного моз­га.

Рисунок27 – Спинной мозг в позвоночном канале.

А - положение спинного мозга и нервных узлов: 1 - белое вещество спинного мозга; 2 - серое вещество спинного мозга; 3 - позвоночный канал; 4 - узлы симпатического ствола; 5 - тело позвонка; 6 - межпозвоночный диск; 7 - задний отросток позвонка; 8 - перед­ние корешки спинномозговых нервов; 9 - задние корешки спинномоз­говых нервов со спинномозговыми узлами;

Б - спинной мозг (вид сбоку): 1 - белое вещество; 2 - серое вещество; 3 - центральный канал; 4 - спинномозговые узлы на задних корешках спинномозговых нервов; 5 - узлы симпатического ствола

Это, однако, не значит, что головной мозг не получает ин­формацию о спинномозговых рефлексах: пациент чувствует удар и движение ноги. В мозг эта информация приходит по вос­ходящим путям, благодаря проводящей функции спинного мозга. Она же позволяет снизить или повысить рефлекторный эффект, совершать произвольные действия. Например, по же­ланию, мы можем задержать движение ноги или преднамерен­но качнуть ею. Это возможно потому, что из головного мозга по нисходящим путям к нейронам спинного мозга поступают возбуждающие или тормозящие сигналы.

Произвольные движения регулируются головным мозгом, но приводят в действие конкретные мышцы туловища и ко­нечностей исполнительные центры спинного мозга. Они нахо­дятся в передних столбах серого вещества.

Связь спинного мозга с головным. Центры спинного мозга работают под контролем головного мозга. Импульсы, пос­тупающие от него, стимулируют деятельность центров спин­ного мозга, поддерживают их тонус. Если нарушена связь между спинным и головным мозгом, что бывает при поврежде­нии позвоночника, наступает шок. При шоке все рефлексы, центры которых лежат ниже повреждений спинного мозга, пропадают, и произвольные движения становятся невозмож­ными.

9.3. Строение головного мозга. Функции продолговатого и

среднего мозга, моста и мозжечка

Отделы головного мозга . Через затылочное отверстие спинной мозг сообщается с головным. Чёткой границы перехода нет.

Рисунок 28 – Отделы головного мозга

Задний мозг: 1 - продолговатый; 2 - мозжечок; 3 - мост; 4 - средний мозг. Передний мозг. Промежуточный: 5 - гипоталамус; 6 - таламус; 7 - большие полушария головно­го мозга (большой мозг)

Головной мозг состоит из следующих отделов: продолгова­тый мозг, мозжечок, мост, средний мозг, промежуточный и большие полушария головного мозга. Последние часто назы­вают полушариями большого мозга, в отличие от полушарий мозжечка, малого мозга (рисунок 28). Продолговатый мозг, мост и мозжечок относят к заднему мозгу, а промежуточный и боль­шой мозг - к переднему мозгу.

На уровне моста и продолговатого мозга проходит единый ствол мозга, но на уровне среднего мозга в нем возникают две симметричные половины. В переднем мозге они разобщены и сообщаются между собой перемычками. Центральный канал спинного мозга продолжается и в головном. Между продолго­ватым мозгом и мозжечком образуется IV желудочек, а между симметричными половинами промежуточного мозга III желу­дочек. В левой половине большого мозга расположен I желудо­чек, в правой - II желудочек.

Продолговатый мозг по своему строению и функциям схо­ден со спинным мозгом, с которым имеет непосредственную нижнюю границу. В продолговатом мозге находятся ядра блуждающего нерва, иннервирующего сердце и другие внут­ренние органы.

В ядрах серого вещества продолговатого мозга находятся центры защитных рефлексов - мигательного и рвотного, реф­лексов кашля и чихания, некоторых других. Другая группа центров связана с питанием и дыханием - это центры вдоха и выдоха, слюноотделения, глотания и отделения желудочно­го сока.

Через продолговатый мозг проходят пути, соединяющие спинной мозг с мозжечком, средним мозгом и другими его от­делами, до коры больших полушарий включительно.

Функции продолговатого мозга такие же, как у спинно­го, - рефлекторные и проводящие.

Мост тоже состоит из серого и белого вещества. Серое вещест­во представлено отдельными ядрами. В них находятся центры, связанные с движением глазных яблок, мимикой. Нервные пу­ти, составляющие основную массу белого вещества моста, свя­зывают полушария мозжечка и спинной мозг с другими отдела­ми головного мозга. Через мост проходят в кору слуховые пути.

Мозжечок состоит из средней, наиболее древней части и по­лушарий, имеющих кору. Он находится над продолговатым мозгом и связан со всеми отделами мозга. Особенно тесна связь мозжечка со средним мозгом.

Мозжечок осуществляет координацию движений, делает их плавными, точными и соразмеренными, устраняет лишние движения, например возникшие в силу инерции. Это бывает, когда сопротивление неожиданно исчезает или водитель транс­порта меняет скорость. При этом нам приходится прилагать усилия, чтобы устоять на ногах и не потерять равновесие. Тра­ектория любого движения от исходного положения до цели контролируется мозжечком.

Средний мозг - отдел мозга, где находятся центры, обес­печивающие чёткость зрения и слуха. Они регулируют вели­чину зрачка и кривизну хрусталика. В среднем мозге содер­жится ряд ядер, регулирующих мышечный тонус. Благодаря им поддерживается устойчивость тела при стоянии, ходьбе, бе­ге, изменении позы.

В среднем мозге находятся центры ориентировочного реф­лекса. Средний мозг нередко сравнивают с ручками управления качеством изображения на телевизионном экране. Чтобы что-то увидеть, надо настроить телевизор. Нечто подобное совер­шает средний мозг. Так, он обеспечивает настройку оптики глаза на нужную резкость и контрастность изображения.

В случае отклонения от устойчивого положения тела мозг восстанавливает нормальное положение.

9.4. Функции переднего мозга

Передний мозг состоит из двух отделов – промежуточного моз­га и больших полушарий головного мозга. Это самый большой отдел головного мозга, состоящий из правой и левой половин.

Промежуточный мозг состоит из трёх частей - верхней, центральной и нижней. Центральная часть про­межуточного мозга называется таламусом. Он состоит из двух парных образований, разделённых III желудочком мозга. Сю­да стекается вся информация от органов чувств. Здесь проис­ходит первая оценка её значимости. Благодаря таламусу толь­ко важная информация поступает в кору большого мозга.

Нижняя часть промежуточного мозга называется гипотала­мусом. Он регулирует обмен веществ и энергии. В его ядрах имеются центры жажды и её утоления, голода и насыщения. Гипоталамус контролирует удовлетворение потребностей и под­держание постоянства внутренней среды - гомеостаза. С учас­тием промежуточного мозга и других отделов головного мозга осуществляются многие циклические движения: ходьба, бег, прыжки, плавание и пр., а также сохранение позы между дви­жениями.

Большие полушария головного мозга разделены глубокой переднезадней щелью на левую и правую части. В её глубине находится соединяющая их перемычка из белого вещества - мозолистое тело.

Поверхность большого мозга образована корой, состоящей из серого вещества. Там сосредоточены тела нейронов. Они располагаются столбиками, образуя несколько слоев.

Под корой находится белое вещество, состоящее из массы нервных волокон, связывающих нейроны коры между собой и нижележащими отделами мозга. В толще полушарий среди белого вещества находятся в виде ядер островки серого вещества, образующие подкорковые центры.

Поверхность полушарий собрана в складки. Выступающие части поверхности образуют извилины, а углубления - борозды. Они намного увеличивают поверхность коры больших полушарий. Самые глубокие борозды делят каждое полушарие на четыре доли – лобную, теменную, затылочную и височную (рисунок 29). Они примыкают к соответствующим костям и потому носят их названия. Центральная борозда отделяет лобную долю от теменной, боковая - височную долю от лобной и теменной.

Рисунок 29 – Доли больших полуша­рий головного мозга: 1 - лобная; 2 - теменная; 3 - затылочная; 4 - височная

В нейронах коры больших полушарий происходит анализ нервных импульсов, поступающих от органов чувств (рисунок 30). Он осуществляется в чувствительных зонах, которые занимают среднюю и заднюю части головного мозга. Так, в затылочной доле сосредоточены нейроны зрительной зоны, в височной - слуховой. В теменной зоне, позади центральной извилины, находится зона кожно-мышечной чувствительности.

Обонятельные и вкусовые зоны находятся на внутренней поверхности височных долей. Центры, регулирующие активное поведение, находятся в передних частях головного мозга, в лобных долях коры больших полушарий. Двигательная зо­на расположена впереди центральной извилины.

Правое полушарие управляет органами левой части туло­вища и получает информацию от пространства слева. Левое полушарие регулирует работу органов правой части туловища и воспринимает информацию от пространства справа. Основная особенность большого мозга человека заключает­ся в том, что правое и левое полушария функционально различ­ны. В левом полушарии, как правило, у правшей находятся центры речи. Здесь происходит анализ

Рисунок 30 – Основные зоны коры больших полушарий головного мозга человека с наружной (А)и внутренней (Б) сторон: 1 - двигательная; 2 - кожно-мышечной чувствительности; 3 - зрительная; 4 - слуховая; 5 - обонятельная и вкусовая

обстановки и связанных с ним действий по отдельным параметрам, вырабатываются обобщения, строятся логические выводы. Правое полушарие воспринимает обстановку в целом. Здесь возникают так назы­ваемые интуитивные решения. В правом полушарии происхо­дит распознавание образов и мелодий, запоминание лиц.

В полушариях большого мозга образуются временные свя­зи между сигнальными, условно-рефлекторными раздражи­телями и жизненно значимыми событиями. Благодаря этим связям накапливается индивидуальный опыт.

Старая и новая кора большого мозга. Старая кора имеется уже у рептилий. У млекопитающих её появление связано с раз­витием обоняния. Она, как пояс, окружает основание мозга и включает подкорковые ядра. Здесь сосредоточены центры, связанные со сложными инстинктами, эмоциями, па­мятью. Старая кора даёт возможность организму различать бла­гоприятные и неблагоприятные события и реагировать на них испугом, радостью, агрессией, тревогой. Здесь в памяти хранит­ся информация о пережитых событиях. Это даёт возможность при сходных обстоятельствах предпринять действия, которые приведут к успеху. В отличие от новой коры, старая кора не может точно распознавать объекты, оценивать вероятность бу­дущих событий и планировать ответы на их появление.

В новую кору поступает информация от внутренних орга­нов и от органов чувств. В лобных долях из многочисленных потребностей отбирается самая важная и формируется цель де­ятельности, план достижения цели на основании анализа об­становки и прошлого опыта.

Здесь с участием речевых центров вырабатываются сцена­рии будущего поведения. Они реализуются другими отделами головного и спинного мозга, связанными с исполнительными органами.

Сведения о достигнутых результатах приходят по обратным связям в лобные доли полушарий и, в зависимости от полу­ченного эффекта, деятельность прекращается или продолжа­ется в измененном виде.

9.5. Соматический и автономный (вегетативный) отделы нервной системы

Значение функционального разделения нервной системы на соматический и автономный отделы. В процессе эволюции позвоночных животных произошло разделение функций нерв­ной системы.

Её соматический отдел специализируется на восприятии информации, поступающей из окружающей среды, и управ­лении движениями тела в пространстве. Автономный (веге­тативный) отдел управляет внутренними органами, гладкой мускулатурой и обменом веществ.

Соматическая нервная система регулирует работу поперечнополосатой мышечной ткани скелетных мышц.

Высшим центром соматической нервной системы является кора больших полушарий. Сюда стекается вся информация от органов чувств к внутренней среде организма. Здесь изыски­ваются способы удовлетворения потребностей. В лобных долях коры созревает план будущих действий, который реали­зуется соматической нервной системой. Цели человека много сложнее, чем цели животных, но и они в конечном счёте сво­дятся к мышечному движению - будь то работа на станке, письмо, речевое общение или даже чтение (движение глаз, про­изнесение слов про себя и т. д.). Приспособление к природной и социальной среде, связанное с изменением поведения, осу­ществляется соматической нервной системой.

Автономная (вегетативная) нервная система, как и сома­тическая, имеет центральную и периферическую части. Выс­шим органом автономной нервной системы считается гипота­ламус. Он регулирует не только автономную нервную систе­му, но и эндокринные железы через гипофиз.

Автономная нервная система подразделяется на два подот­дела - симпатический и парасимпатический.

Симпатический подотдел автономной нервной системы называют системой аварийных ситуаций, так как он активи­зируется всякий раз, когда организм находится в напряже­нии. Его высшие центры расположены в боковых столбах верхней и средней частей спинного мозга. От них идут нервы к нервным узлам, расположенным вдоль позвоночника. Это парные узлы нервного ствола. Кроме того, имеются и допол­нительные узлы, например в области живота - солнечное сплетение, а также в некоторых других местах.

Под влиянием симпатической иннервации сердце усилива­ет свою работу, повышается кровяное давление, увеличивает­ся содержание сахара в крови, сосуды кожи сужаются, чело­век бледнеет. Органы пищеварения под действием симпатиче­ских нервов затормаживают свою деятельность.

Парасимпатический подотдел автономной нервной систе­мы. Высшие парасимпатические центры находятся в стволе го­ловного мозга и в крестцовой части спинного мозга. Самый крупный из них - центр блуждающего нерва - находится в продолговатом мозге под дном IV желудочка. Блуждающий нерв идёт параллельно нервному стволу и даёт ответвления ко многим внутренним органам. Нервные узлы парасимпатиче­ской системы располагаются либо в самих органах, либо неда­леко от них.

Парасимпатическую систему называют системой отбоя. Она возвращает деятельность сердца в состояние покоя, умень­шает давление и содержание сахара в крови. Под её влиянием дыхание становится более редким, но более глубоким, что позволяет избавиться от продуктов неполного окисления, оставшихся после напряжённой работы. Блуждающий нерв расширяет кожные сосуды и активизирует органы пищева­рения.

Взаимодействие симпатического и парасимпатического по­дотделов. Оба подотдела автономной нервной системы работа­ют по принципу дополнительности. В состоянии ли покоя, в состоянии ли интенсивной работы находится человек, его внутренние органы и гладкие мышцы получают нервные импульсы как от симпатического, так и от парасимпатического подотделов.

Представим, что человек увидел на остановке нужный ему автобус и побежал. Включилась симпатическая система, про­свет сосудов стал сужаться, давление повысилось, и скорость крови возросла. Но если сужение чрезмерно, просвет сосуда становится настолько узким, что кровь по нему вообще не мо­жет пройти (это бывает при спазмах сосудов). Но этого не про­исходит, так как по обратным связям в мозг идут сигналы о неблагополучии и включается парасимпатическая система, которая расширяет сосуды. Так находится оптимальная вели­чина просвета сосудов, обеспечивающая необходимые давле­ние и скорость крови.

………………………………………………………………………………………