Как мозг передает телу свои команды? Из этой главы вы узнаете Сигналы от мозга к органам.

22.11.2019 -

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.

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.

Органом психической деятельности человека, органом, который осуществляет управление различными процессами в организме, является . Чтобы управлять каким-либо процессом, прежде всего необходимо иметь информацию о том, в каком состоянии находится управляемый объект (или процесс), в какое состояние он должен быть приведен в результате управления, располагать средствами воздействия на управляемый объект и знать состояние «рабочих органов» управляющей системы. На основе этих сведений принимается решение о необходимых действиях, и «рабочим органам» отдается распоряжение об их выполнении. Информация о достигнутом результате сопоставляется с требуемым конечным результатом, вновь принимается решение о последующих действиях… И так до тех пор, пока информация о достигнутом результате («обратная связь») не совпадает с необходимым конечным результатом. В соответствии с этой схемой осуществляется управление самыми разнообразными процессами.

Поясним на примере. Для нормальной деятельности организма необходимо поддерживать кровяное давление на постоянном уровне. И непрерывно следит за этим: от специальных органов, чувствительных к давлению (они расположены в сонных артериях), в идут сигналы, несущие информацию об уровне давления крови. Получая информацию о повышении давления, центральная нервная система посылает импульсы в мышцы кровеносных сосудов: мышцы расслабляются, объем сосудистого русла увеличивается, давление в нем снижается… Об этом сообщают в центральную нервную систему чувствительные к давлению окончания (так называемые бароредепторы). Если давление снизилось недостаточно, мышцы сосудов получают приказ о дальнейшем расслаблении, если давление снизилось чрезмерно,- приказ о сокращении. Описанный механизм действует непрерывно, хотя его работа и не доходит до нашего сознания.

По такой же общей схеме осуществляются и осознанные действия организма. Если человек хочет поставить часы на правильное время, то он смотрит на стрелки и сличает их положение с положением стрелок точных часов. Информация о том и другом передается в мозг от . Приняв решение, куда и на сколько надо передвинуть стрелки, мозг посылает приказы мышцам пальцев. Глаз следит, на сколько передвинулись стрелки, и передает эту информацию в мозг. И снова приказы пальцам - передвинуть еще или вернуть чуть назад. И так до тех пор, пока глаз не сообщит мозгу, что стрелки заняли нужное положение.

Таким образом, главное в работе мозга (когда оп управляет «внутренним хозяйством» организма или его ) - получение информации от (органов-разведчиков), ее сохранение и переработка, а затем посылка приказов рабочим органам (органам-исполнителям) .

Сигналы, несущие информацию от органов чувств, идут по нервным волокнам и попадают в мозга. Совокупность органа чувств (глаз, ухо и др.), идущих от него нервов и нервных центров, к которым идут сигналы от этого органа чувств, И. П. Павлов назвал анализатором, т. е. системой, апализпрующей определенные (световые, звуковые) воздействия на организм.

Сигналы от разных органов чувств приходят в различные области коры головного мозга, которая образует наружную поверхность его . У человека кора головпого мозга состоит из 14-20 миллиардов нервных клеток - нейронов. Поверхность коры складчатая, благодаря чему ее площадь значительно больше, чем поверхность больших . Складки образуют выпуклости (извилины), отделенные одна от другой углублениями (бороздами). , расположенные в , многочисленными отростками связаны между собой, с различными участками тела и с различными органами. Одни получают по нервным волокнам сигналы от органов чувств. Вторые посылают к мышцам импульсы, заставляющие мышцы сокращаться. Третьи не связаны непосредственно с периферией, а осуществляют связь между корковыми нейронами.

Нервные клетки и их отростки образуют в коре мозга несколько слоев. Структура различных участков коры (т. е. расположение в них клеток и отростков) неодинакова, что соответствует различию функций этих участков. Есть участки, куда непосредственно приходят с периферии сигналы от органов чувств; это - проекционные чувствительные зоны. Есть участки, откуда непосредственно на периферию уходят двигательные сигналы; это - проекционные двигательные зоны. Есть участки, связанные нервными волокнами с другими участками коры и не связанные непосредственно с периферией; это - ассоциативные зоны.

Клетки коры головного мозга нуждаются в постоянном и достаточном снабжении питательными веществами и . Эти вещества и кислород доставляются в кору мозга кровью. Кора головного мозга имеет очень густую и разветвленную сеть кровеносных сосудов, по которой к ее клеткам непрерывно доставляются необходимые им питательные вещества и кислород. Корковые нейроны весьма чувствительны к недостатку кислорода. Поэтому напряженная умственная работа особенно утомительна в душном помещении.

Если в результате болезненного процесса происходит разрыв (или закупорка) какого-либо мозгового сосуда, то становится невозможной работа нейронов того участка коры, который получал кислород и питательные вещества по этому сосуду. Если разрыв произошел в проекционной чувствительной зоне, то нарушается чувствительность на соответствующем участке тела. Если кровоизлияние возникло в проекционной двигательной зоне, то наступает паралич или парез (неполный паралич). В левом полушарии есть такие зоны, нарушение которых ведет у правшей к - потере способности говорить, или читать, или понимать слышимую речь. У левшей эти зоны находятся в правом полушарии. То полушарие, в котором находятся зоны, связанные с речью, называют доминирующим или преобладающим.

СТРОЕНИЕ НЕРВНОЙ СИСТЕМЫ

Центральная и периферическая нервная система. Нервная система человека состоит из центральной и периферической частей. К центральной части относятся — головной и спинной мозг, к периферической — нервы и нервные узлы.

Нервную систему образуют нейроны и другие клетки нервной ткани. Различают чувствительные, исполнительные и смешанные нервы.

Головной мозг — находится в черепе. Тела нейронов головного мозга расположены в сером веществе коры и ядрах, разбросанных среди белого вещества головного мозга. Белое вещество, состоит из нервных волокон, связывающих различные центры головного и спинного мозга.

Все отделы мозга выполняют проводниковую и рефлекторную функции. В лобных долях коры головного мозга формируются цели деятельности и разрабатывается программа действий, через низшие отделы мозга её «приказы» поступают к органам, а по обратным связям от органов идут сигналы о выполнении этих «приказов» и их эффективности.

Спинной мозг — находится в позвоночном канале. Вверху спинной мозг переходит в головной, внизу оканчивается на уровне второго поясничного позвонка, пучком отходящих 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.

Тела нейронов спинного мозга сосредоточены в серых столбах, которые занимают центральную часть спинного мозга и тянутся вдоль всего позвоночника.

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

Спинной мозг выполняет рефлекторную и проводящую функции.

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 при повреждении позвоночника, наступает шок. При шоке все рефлексы, центры которых лежат ниже повреждений спинного мозга, пропадают, и произвольные движения становятся невозможными.

Соматический и автономный (вегетативный) отделы. Функционально нервная система образует два отдела: соматический и автономный.

Соматический отдел регулирует поведение человека во внешней среде, он связан с работой скелетных мышц, которые контролируются желаниями и волей человека.

Автономный отдел регулирует работу гладких мышц, внутренних органов, кровеносных сосудов. Он слабо подчиняется волевому контролю и действует по программе, сформировавшейся в результате естественного отбора и закреплённой наследственностью организма.

Автономный отдел состоит из двух подотделов — симпатического и парасимпатического , которые действуют по принципу дополнительности. Благодаря их совместной работе устанавливается оптимальный режим работы внутренних органов для каждой конкретной ситуации.

ФУНКЦИИ И 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 нервной системе, в организме 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.

Нервная система, отвечает за согласованную деятельность различных органов и систем, а также за регуляцию функций организма. Она определяет порядок сокращения мышечных групп, интенсивность дыхания и сердечной деятельности, осуществляет контроль и коррекцию результатов действия. Нервная система отвечает за чувствительность, двигательную активность и работу эндокринной и иммунной систем.

Высшая нервная деятельность обеспечивает наиболее совершенное приспособление организма к внешней среде. У человека она обеспечивает высшие психические функции: познавательные, эмоциональные и волевые процессы, речь, мышление, сознание, способность к трудовой деятельности и творчества.

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.

Парасимпатическая иннервация (снабжение нервами) всех органов и тканей осуществляется ветвями

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, их оценку, запоминание и переработку полученной информации, направленной на удовлетворение возникающих потребностей.

НАША НЕРВНАЯ СИСТЕМА ЛЮБИТ:

1. Свежий воздух.
2. Движение (длительные прогулки).
3. Положительные эмоции (чувство радости, смену впечатлений).
4. Сон продолжительный (9-10 часов).
5. Чередование физического и умственного труда.
6. Водные процедуры.
7. Простую пищу : Хлеб грубого помола, крупы (гречневую, овсяную), бобовые, рыбу, мясо и субпродукты (печень, сердце, почки), сушёные белые грибы.
8. Витамины группы «В» и Никотиновую кислоту.

НАША НЕРВНАЯ СИСТЕМА НЕ ЛЮБИТ:

1. Стресс (возникающий в результате длительных отрицательных эмоций, голодания, длительного пребывания на жарком солнце).
2. Шум – любой раздражающий.
3. Инфекции и механические повреждения (заболевания ушей, зубов, выдавливание прыщей, укусы насекомых – клещи, ушиб головы).