⛓️ 🐫 🧑 كيف يعمل دماغنا أو كيفية نمذجة الروح؟ 🕡 🙌🏻 🙅🏾

مرحبًا Geektimes! في مقال نشر سابقًا ، تم تقديم نموذج للجهاز العصبي ، سأصف النظرية والمبادئ التي شكلت أساسها.

وتستند النظرية على تحليل المعلومات المتاحة حول الخلايا العصبية البيولوجية والجهاز العصبي من البيولوجيا العصبية وعلم وظائف المخ الحديثة.

أولاً ، سأقدم معلومات موجزة حول موضوع النمذجة ، جميع المعلومات موصوفة أدناه ، مع أخذها في الاعتبار واستخدامها في النموذج.

نيورون

العصبون هو العنصر الوظيفي الرئيسي للجهاز العصبي ، ويتكون من جسم الخلية العصبية وعملياتها. هناك نوعان من العمليات: المحاور والتشعبات. Axon هي عملية طويلة مغطاة بغلاف المايلين ، مصممة لنقل نبض عصبي لمسافات طويلة. التشتت هو عملية قصيرة ومتفرعة ، ونتيجة لذلك توجد علاقة مع العديد من الخلايا المجاورة.

ثلاثة أنواع من الخلايا العصبية

يمكن أن تختلف الخلايا العصبية اختلافًا كبيرًا في الشكل والحجم والتكوين ، على الرغم من ذلك ، هناك تشابه أساسي في الأنسجة العصبية في أجزاء مختلفة من الجهاز العصبي ، ولا توجد اختلافات تطورية خطيرة. يمكن للخلية العصبية للرخويات Aplisia أن تفرز نفس الناقلات العصبية والبروتينات مثل الخلية البشرية.

يتم تمييز ثلاثة أنواع من الخلايا العصبية اعتمادًا على التكوين:

أ) مستقبلات أو خلايا مركزية أو عصبية واردة ، هذه الخلايا العصبية لديها محور عصبي مركزي ، وفي نهايته توجد مستقبلات أو مستقبلات أو نهايات واردة. يمكن تعريف هذه الخلايا العصبية كعناصر تنقل الإشارات الخارجية إلى النظام.

ب) الخلايا العصبية (عصبية ، اتصال ، أو وسيطة) الخلايا العصبية التي ليس لها عمليات طويلة ، ولكن لديها التشعبات فقط. يوجد عدد من الخلايا العصبية في الدماغ البشري أكثر من غيرها. هذا النوع من الخلايا العصبية هو العنصر الرئيسي في القوس الانعكاسي.

ج) المحرك ، أو الطرد المركزي ، أو efferent ، لديهم محور عصبي مركزي ، له نهايات صادرة تنقل الإثارة إلى الخلايا العضلية أو الغدية. يتم استخدام الخلايا العصبية الفعالة لنقل الإشارات من البيئة العصبية إلى البيئة الخارجية.

عادة ، تنص المقالات على الشبكات العصبية الاصطناعية على وجود الخلايا العصبية الحركية فقط (مع محور عصبي) ، والتي ترتبط بطبقات من الهيكل الهرمي. ينطبق وصف مماثل على الجهاز العصبي البيولوجي ، ولكنه نوع من حالة خاصة ، نحن نتحدث عن الهياكل ، وردود الفعل المشروطة الأساسية. كلما زاد تطور الجهاز العصبي ، كلما قل انتشاره مثل "الطبقات" أو التسلسل الهرمي الصارم.

نقل الإثارة العصبية

يحدث انتقال الإثارة من الخلايا العصبية إلى الخلايا العصبية ، من خلال ثخانات خاصة في نهايات التشعبات ، تسمى المشابك العصبية. وفقًا لنوع الإرسال ، تنقسم المشابك إلى نوعين: كيميائي وكهربائي. تقوم المشابك الكهربائية بنقل نبض عصبي مباشرة من خلال نقطة التلامس. هناك عدد قليل جدًا من هذه نقاط الاشتباك العصبي في الجهاز العصبي ؛ لن يتم أخذها في الاعتبار في النماذج. تقوم المشابك الكيميائية بنقل نبض عصبي من خلال مادة وسيطة خاصة (ناقل عصبي ، ناقل عصبي) ، وهذا النوع من المشابك منتشر على نطاق واسع وينطوي على تنوع في العمل.
من المهم أن نلاحظ أن التغييرات تحدث باستمرار في الخلايا العصبية البيولوجية ، وتتزايد التشعبات والمشابك الجديدة ، وهجرة الخلايا العصبية ممكنة. تتشكل الأورام عند نقاط الاتصال مع الخلايا العصبية الأخرى ، بالنسبة للخلايا العصبية المرسلة ، فهي مشابك ، بالنسبة للمستقبل هو غشاء ما بعد المشبكي مجهز بمستقبلات خاصة تستجيب للوسيط ، أي يمكننا القول أن غشاء الخلايا العصبية هو جهاز استقبال ، والمشابك على التشعبات هي أجهزة إرسال الإشارة.

سينابسي

عندما يتم تنشيط المشبك ، فإنه يخرج أجزاء من الوسيط ، ويمكن أن تختلف هذه الأجزاء ، وكلما تم إفشاء الوسيط ، زادت احتمالية تنشيط الإشارة المستقبلة بواسطة الخلية العصبية. يقوم الوسيط ، الذي يكسر الشق السينوبتيكي ، بدخول الغشاء ما بعد المشبكي ، حيث توجد المستقبلات التي تستجيب للوسيط. علاوة على ذلك ، يمكن تدمير الوسيط بواسطة إنزيم مدمر خاص ، أو امتصاصه من قبل المشبك ، وهذا يحدث لتقليل وقت تأثير الوسيط على المستقبلات.
بالإضافة إلى التحفيز ، هناك نقاط الاشتباك العصبي التي تمنع الخلايا العصبية. عادة ، تنتمي هذه المشابك إلى خلايا عصبية معينة ، والتي يتم تحديدها كخلايا عصبية مثبطة.
يمكن أن يكون هناك العديد من نقاط الاشتباك العصبي التي تربط العصبون بالخلية المستهدفة نفسها. للتبسيط ، نحن نقبل مجموعة كاملة من تأثيرات عصبون واحد على عصبون هدف آخر في المشبك مع قوة تأثير معينة. السمة الرئيسية للمشابك ستكون قوته.

حالة خروج العصبون

في حالة الراحة ، يتم استقطاب غشاء الخلايا العصبية. وهذا يعني أن الجسيمات التي تحمل شحنات متقابلة تقع على جانبي الغشاء. في حالة الراحة ، يكون السطح الخارجي للغشاء مشحونًا بشكل إيجابي ، والجزء الداخلي سلبي. الناقلات الرئيسية للشحنات في الجسم هي أيونات الصوديوم (Na +) والبوتاسيوم (K +) والكلور (Cl-).
الفرق بين الشحنات على سطح الغشاء وداخل جسم الخلية هو احتمال الغشاء. يتسبب الوسيط في انتهاك الاستقطاب - إزالة الاستقطاب. تتدفق الأيونات الموجبة خارج الغشاء من خلال القنوات المفتوحة إلى جسم الخلية ، وتغيير نسبة الشحنات بين سطح الغشاء وجسم الخلية.

تغير في احتمالية الغشاء عند إثارة العصبون

لم تتغير طبيعة التغيرات في إمكانية الغشاء أثناء تنشيط الأنسجة العصبية. بغض النظر عن مقدار القوة التي تمارس على العصبون ، إذا تجاوزت القوة قيمة عتبة معينة ، فسيكون الجواب هو نفسه.
بالنظر إلى المستقبل ، أود أن أشير إلى أنه حتى تتبع الإمكانات المهمة في عمل الجهاز العصبي (انظر الرسم البياني أعلاه). لا تظهر ، بسبب بعض موازنة التذبذبات التوافقية ، هي مظهر صارم لمرحلة معينة من حالة النسيج العصبي عند الإثارة.

نظرية التفاعل الكهرومغناطيسي

لذا ، سأقدم المزيد من الافتراضات النظرية التي ستسمح لنا بإنشاء نماذج رياضية. الفكرة الرئيسية هي التفاعل بين الشحنات المتكونة داخل جسم الخلية ، أثناء نشاطها ، والشحنات من أسطح أغشية الخلايا النشطة الأخرى. هذه الشحنات معاكسة ، وفي هذا الصدد يمكن افتراض كيف سيتم وضع الشحنات في جسم الخلية تحت تأثير شحنات الخلايا النشطة الأخرى.

يمكننا القول أن العصبون يستشعر نشاط الخلايا العصبية الأخرى عن بعد ، ويسعى لتوجيه انتشار الإثارة في اتجاه المواقع النشطة الأخرى.
في لحظة نشاط الخلايا العصبية ، يمكن حساب نقطة معينة في الفضاء ، والتي يمكن تعريفها بأنها مجموع كتل الشحن الموجودة على أسطح الخلايا العصبية الأخرى. سوف نطلق على هذه النقطة نقطة نمط ؛ يعتمد مجالها على مجموعة من مراحل نشاط جميع الخلايا العصبية في الجهاز العصبي. يسمى المزيج الفريد من الخلايا النشطة نمطًا في فسيولوجيا الجهاز العصبي ، أي يمكننا التحدث عن تأثير الأجزاء المثيرة من الدماغ على عمل الخلايا العصبية الفردية.
من الضروري تخيل عمل العصبون ليس فقط كجهاز كمبيوتر ، ولكن نوعًا من مكرر الإثارة الذي يحدد اتجاهات انتشار الإثارة ، لذلك يتم تشكيل الدوائر الكهربائية المعقدة. في البداية ، كان من المفترض أن العصبون ببساطة يفصل / يشغل بشكل انتقائي مشابكه للانتقال ، اعتمادًا على الاتجاه المفضل للإثارة. لكن دراسة أكثر تفصيلاً لطبيعة العصبون ، أدت إلى استنتاج أن العصبون يمكن أن يغير درجة التأثير على الخلية المستهدفة من خلال قوة نقاط الاشتباك العصبي ، مما يجعل العصبون عنصرًا حوسبيًا أكثر مرونة ومتغيرًا في الجهاز العصبي.

أي اتجاه لنقل الإثارة هو المفضل؟ في التجارب المختلفة المتعلقة بتشكيل ردود الفعل غير المشروطة ، يمكن تحديد أن المسارات أو الأقواس الانعكاسية تتشكل في الجهاز العصبي الذي يربط مناطق الدماغ المنشط أثناء تكوين ردود الفعل غير المشروطة ، ويتم إنشاء الاتصالات النقابية. هذا يعني أن العصبون يجب أن ينقل الإثارة إلى الأجزاء النشطة الأخرى من الدماغ ، ويتذكر الاتجاه ويستخدمه في المستقبل.
تخيل ناقل البداية ، الذي يقع في وسط الحامل النشط ، ويتم توجيه النهاية إلى نقطة النمط المحددة لخلايا عصبية معينة. تشير كمتجه للاتجاه المفضل لانتشار الإثارة (T ، الاتجاه). في العصبون البيولوجي ، يمكن للمتجه T أن يتجلى في بنية الورم العصبي نفسه ، ربما تكون هذه قنوات لحركة الأيونات في جسم الخلية ، أو تغييرات أخرى في بنية العصبون.
يمتلك العصبون خاصية الذاكرة ، ويمكنه حفظ المتجه T ، واتجاه هذا المتجه ، يمكن أن يتغير ويستبدل بحسب العوامل الخارجية. تسمى الدرجة التي يمكن أن يخضع بها المتجه T للتغييرات المرونة العصبية.
هذا الناقل ، بدوره ، يؤثر على عمل المشابك العصبية. لكل مشابك ، نحدد بداية S المتجه ، التي تقع في وسط الخلية ، ويتم توجيه النهاية إلى مركز الخلايا العصبية المستهدفة التي يتصل بها المشبك. الآن ، يمكن تحديد درجة التأثير لكل مشابك على النحو التالي: كلما كانت الزاوية بين المتجه T و S أصغر ، كلما زاد المشبك. كلما كانت الزاوية أصغر ، كلما كان المشبك أقوى يضعف وربما قد يوقف انتقال الإثارة. كل مشبك له خاصية ذاكرة مستقلة ؛ يتذكر معنى قوته. تتغير القيم المشار إليها مع كل تنشيط للخلايا العصبية ، تحت تأثير ناقل T ، إما أنها تزيد أو تنقص بقيمة معينة.

نموذج رياضي

إشارات الإدخال (x1 ، x2 ، ... xn) للخلايا العصبية هي أرقام حقيقية تميز قوة المشابك العصبية التي تؤثر على الخلايا العصبية.
تعني القيمة الإيجابية للمدخلات تأثيرًا محفزًا على العصبون ، والقيمة السلبية تعني تأثيرًا مثبطًا.
بالنسبة للخلايا العصبية البيولوجية ، لا يهم المكان الذي جاءت منه الإشارة المثيرة ، فستكون نتيجة نشاطها متطابقة. سيتم تنشيط العصبون عندما يتجاوز مجموع التأثيرات عليه عتبة معينة. لذلك ، تمر جميع الإشارات من خلال المُعلِق (أ) ، وبما أن الخلايا العصبية والجهاز العصبي تعمل في الوقت الفعلي ، لذلك ، يجب تقييم تأثير المدخلات في فترة زمنية قصيرة ، أي أن تأثير المشبك مؤقت.
تتجاوز نتيجة المُلتزم وظيفة العتبة (b) ، إذا تجاوز المجموع قيمة العتبة ، فهذا يؤدي إلى نشاط الخلايا العصبية.
عندما يتم تنشيطه ، يشير العصبون إلى نشاطه إلى النظام ، ومعلومات متقدمة حول موقعه في مساحة الجهاز العصبي والشحنة ، والتي تتغير في الوقت (في).
بعد وقت معين ، بعد التنشيط ، ينقل العصبون الإثارة على طول جميع المشابك العصبية المتاحة ، مع سرد قوتهم سابقًا. تتوقف فترة التنشيط الكاملة للخلايا العصبية عن الاستجابة للمنبهات الخارجية ، أي يتم تجاهل جميع تأثيرات المشابك العصبية الأخرى. تتضمن فترة التنشيط أيضًا فترة التعافي للخلايا العصبية.
يتم تصحيح المتجه T (g) مع مراعاة قيمة نقطة النمط Pp ومستوى المرونة العصبية. بعد ذلك ، هناك إعادة تقييم لقيم جميع قوى المشبك في العصبون (د).
لاحظ أن الكتل (g) و (e) يتم تنفيذها بالتوازي مع الكتلة (c).

تأثير الموجة

إذا قمت بتحليل النموذج المقترح بعناية ، يمكنك أن ترى أن مصدر الإثارة يجب أن يكون له تأثير أكبر على العصبون من جزء آخر بعيد ونشط من الدماغ. لذلك ، يطرح السؤال: لماذا لا يزال هناك تحويل في اتجاه موقع نشط آخر؟
لم أتمكن من تحديد هذه المشكلة إلا من خلال إنشاء نموذج كمبيوتر. اقترح الحل رسمًا بيانيًا للتغييرات في إمكانات الغشاء أثناء نشاط الخلايا العصبية.

إن إعادة الاستقطاب المحسنة للخلايا العصبية ، كما ذكرنا سابقًا ، مهمة للجهاز العصبي ، وبفضلها يتم إنشاء تأثير الموجة ، والرغبة في الإثارة العصبية للانتشار من مصدر الإثارة.
عند العمل مع النموذج ، لاحظت اثنين من التأثيرات ، إذا أهملنا إمكانية التتبع أو جعلناها غير كبيرة بما فيه الكفاية ، فإن الإثارة لا تنتشر من المصادر ، بل تميل إلى التوطين. إذا جعلت أثر التتبع كبيرًا جدًا ، فإن الإثارة تميل إلى "التشتت" في اتجاهات مختلفة ، ليس فقط من مصدره ، ولكن أيضًا من الآخرين.

الخريطة المعرفية

باستخدام نظرية التفاعل الكهرومغناطيسي ، يمكن شرح العديد من الظواهر والعمليات المعقدة التي تحدث في الجهاز العصبي. على سبيل المثال ، أحد الاكتشافات الأخيرة التي نوقشت على نطاق واسع في علوم الدماغ ، هو اكتشاف الخرائط المعرفية في الحصين.
الحصين هو جزء من الدماغ مسؤول عن الذاكرة قصيرة المدى. كشفت التجارب على الفئران أن مكانًا معينًا في المتاهة يتوافق مع مجموعتها المحلية من الخلايا في الحصين ، ولا يهم كيف يصل الحيوان إلى هذا المكان ، سيتم تنشيط منطقة من الأنسجة العصبية المقابلة لهذا المكان على أي حال. بطبيعة الحال ، يجب على الحيوان أن يتذكر هذه المتاهة ، لا تعتمد على المراسلات الطوبولوجية لمساحة المتاهة والخريطة المعرفية.

يتم تمثيل كل مكان في المتاهة في الدماغ كمجموعة من المحفزات ذات الطبيعة المختلفة: الروائح ولون الجدران والأشياء البارزة المحتملة والأصوات المميزة ، وما إلى ذلك. تنعكس هذه المحفزات في القشرة ، وتمثيلات متنوعة للحواس ، في شكل رشقات من النشاط في مجموعات معينة. يعالج الدماغ المعلومات في وقت واحد في عدة أقسام ، وغالبًا ما تنقسم قنوات المعلومات ، وتذهب نفس المعلومات إلى أجزاء مختلفة من الدماغ.

تنشيط الخلايا العصبية في المكان اعتمادًا على الموضع في المتاهة (يظهر نشاط الخلايا العصبية المختلفة بألوان مختلفة). مصدر

يقع الحصين في وسط الدماغ ، وتتم إزالة السيارة بالكامل ومناطقها منه ، على مسافات متساوية. إذا حددنا لكل مجموعة فريدة من المحفزات نقطة كتلة الشحنات على أسطح الخلايا العصبية ، يمكننا أن نرى أن هذه النقاط ستكون مختلفة وستكون موجودة تقريبًا في وسط الدماغ. تميل الإثارة في الحصين إلى هذه النقاط وتنتشر ، لتشكل مناطق مستقرة من الإثارة. علاوة على ذلك ، سيؤدي التغيير البديل لمجموعات المنبهات إلى تحول في نقطة النمط. سوف ترتبط أجزاء الخريطة المعرفية بشكل مترابط مع بعضها البعض بالتسلسل ، مما سيؤدي إلى حقيقة أن الحيوان ، الذي تم وضعه في بداية المتاهة المألوفة له ، يمكن أن يتذكر المسار اللاحق بأكمله.

استنتاج

سيكون لدى الكثيرين سؤال ، أين توجد في هذا العمل المتطلبات الأساسية لعنصر العقلانية أو إظهار النشاط الفكري العالي؟
من المهم ملاحظة أن ظاهرة السلوك البشري هي نتيجة لعمل البنية البيولوجية. لذلك ، من أجل تقليد السلوك المعقول ، من الضروري فهم مبادئ وخصائص عمل الهياكل البيولوجية. لسوء الحظ ، لم يتم تقديم خوارزمية واضحة حتى الآن في علم الأحياء: كيف يعمل العصبون ، وكيف يفهم أين يكون من الضروري نمو التشعبات ، وكيفية تكوين نقاط الاشتباك العصبي بحيث يمكن تشكيل منعكس مشروط بسيط في الجهاز العصبي ، على غرار تلك التي أظهرها ووصفها في الأكاديمي IP بافلوف.
من ناحية أخرى ، في علم الذكاء الاصطناعي ، في نهج تصاعدي (بيولوجي) ، هناك موقف متناقض ، وهو: عندما تستند النماذج المستخدمة في البحث إلى أفكار قديمة حول العصبون البيولوجي ، المحافظة ، والتي تقوم على المفهوم دون إعادة التفكير في مبادئه الأساسية ، دون تناشد المصدر البيولوجي ، توصل إلى خوارزميات وهياكل أكثر تعقيدًا ليس لها جذور بيولوجية.
بالطبع ، لا أحد يقلل من مزايا الشبكات العصبية الكلاسيكية ، التي وفرت العديد من منتجات البرمجيات المفيدة ، ولكن اللعب معها ليس هو السبيل لإنشاء نظام يعمل فكريًا.
علاوة على ذلك ، فإن التصريحات التي تقول أن العصبون يشبه آلة حوسبة قوية ليست شائعة تُنسب إلى خاصية أجهزة الكمبيوتر الكمومية. بسبب هذا التعقيد الفائق ، يعزى استحالة تكراره إلى الجهاز العصبي ، لأن هذا يتناسب مع الرغبة في نمذجة النفس البشرية. ومع ذلك ، في الواقع ، تتبع الطبيعة مسار البساطة والأناقة في قراراتها ، يمكن لحركة الشحنات على غشاء الخلية أن تعمل على نقل الإثارة العصبية ونقل المعلومات حول مكان حدوث هذا النقل.
على الرغم من حقيقة أن هذا العمل يوضح كيف تتشكل ردود الفعل الأولية المشروطة في الجهاز العصبي ، إلا أنه يقربنا من فهم الذكاء والنشاط الذكي.

هناك العديد من جوانب الجهاز العصبي: آليات التثبيط ، مبادئ بناء العواطف ، تنظيم ردود الفعل غير المشروطة والتدريب ، والتي بدونها من المستحيل بناء نموذج نوعي للجهاز العصبي. هناك فهم ، على مستوى بديهي ، لكيفية عمل الجهاز العصبي ، والتي يمكن تجسيد مبادئها في النماذج.
ساعد إنشاء النموذج الأول على تحسين وتصحيح فكرة التفاعل الكهرومغناطيسي للخلايا العصبية. لفهم كيفية حدوث تكوين الأقواس الانعكاسية ، كيف يفهم كل عصبون فردي كيفية تكوين نقاط الاشتباك العصبي للحصول على اتصالات ترابطية.
في الوقت الحالي ، بدأت في تطوير نسخة جديدة من البرنامج ، والتي ستسمح لك بمحاكاة العديد من الجوانب الأخرى للخلايا العصبية والجهاز العصبي.

أطلب منك المشاركة بنشاط في مناقشة الفرضيات والافتراضات المطروحة هنا ، حيث يمكنني أن أكون متحيزًا تجاه أفكاري. رأيك مهم جدا بالنسبة لي.

الطراز (Windows PC) + البرنامج التعليمي

(Windows PC)

كيف يعمل دماغنا أو كيفية نمذجة الروح؟