♈️ 👂🏾 🧒🏾 Bagaimana cara otak kita bekerja atau bagaimana membuat model jiwa? ☀️ 🛎️ 🎤

Halo, Geektimes! Dalam artikel yang diterbitkan sebelumnya , model sistem saraf disajikan, saya akan menjelaskan teori dan prinsip-prinsip yang membentuk dasarnya.

Teori ini didasarkan pada analisis informasi yang tersedia tentang neuron biologis dan sistem saraf dari neurobiologi modern dan fisiologi otak.

Pertama, saya akan memberikan informasi singkat tentang objek pemodelan, semua informasi dijelaskan di bawah ini, diperhitungkan dan digunakan dalam model.

NEURON

Neuron adalah elemen fungsional utama sistem saraf, terdiri dari tubuh sel saraf dan prosesnya. Ada dua jenis proses: akson dan dendrit. Akson adalah proses panjang yang ditutupi dengan selubung mielin, yang dirancang untuk mengirimkan impuls saraf jarak jauh. Dendrite adalah proses percabangan yang singkat, karena ada hubungan dengan banyak sel tetangga.

TIGA JENIS NEURON

Neuron dapat sangat bervariasi dalam bentuk, ukuran dan konfigurasi, meskipun demikian, ada kesamaan mendasar dari jaringan saraf di berbagai bagian sistem saraf, dan tidak ada perbedaan evolusi yang serius. Sel saraf moluska Aplisia dapat mengeluarkan neurotransmiter dan protein yang sama dengan sel manusia.

Tiga jenis neuron dibedakan tergantung pada konfigurasi:

a) neuron reseptor, centripetal, atau aferen, neuron ini memiliki akson centripetal, di ujungnya terdapat reseptor, reseptor atau ujung aferen. Neuron ini dapat didefinisikan sebagai elemen yang mengirimkan sinyal eksternal ke sistem.

b) neuron interneuron (intercalary, contact, atau intermediate) yang tidak memiliki proses panjang, tetapi hanya memiliki dendrit. Ada lebih banyak neuron di otak manusia daripada yang lain. Jenis neuron ini adalah elemen utama dari busur refleks.

c) motorik, sentrifugal, atau eferen, mereka memiliki akson sentripetal, yang memiliki ujung eferen yang mengirimkan eksitasi ke sel otot atau kelenjar. Neuron eferen digunakan untuk mengirimkan sinyal dari lingkungan saraf ke lingkungan eksternal.

Biasanya, artikel pada jaringan saraf tiruan menetapkan keberadaan hanya motor neuron (dengan akson sentrifugal), yang dihubungkan ke lapisan struktur hierarkis. Deskripsi yang sama berlaku untuk sistem saraf biologis, tetapi adalah semacam kasus khusus, kita berbicara tentang struktur, refleks terkondisi dasar. Semakin tinggi evolusi sistem saraf, semakin tidak umum strukturnya seperti "lapisan" atau hierarki yang ketat.

TRANSFER EKSKITASI NERVOUS

Transmisi eksitasi terjadi dari neuron ke neuron, melalui pengentalan khusus pada ujung dendrit, yang disebut sinapsis. Menurut jenis transmisi, sinapsis dibagi menjadi dua jenis: kimia dan listrik. Sinapsis listrik mentransmisikan impuls saraf langsung melalui titik kontak. Ada sangat sedikit sinapsis seperti itu dalam sistem saraf, mereka tidak akan diperhitungkan dalam model. Sinapsis kimia mentransmisikan impuls saraf melalui zat mediator khusus (neurotransmitter, neurotransmitter), jenis sinapsis ini tersebar luas dan menyiratkan variabilitas dalam pekerjaan.
Penting untuk dicatat bahwa perubahan terus-menerus terjadi dalam neuron biologis, dendrit baru dan sinapsis tumbuh, dan migrasi neuron dimungkinkan. Neoplasma terbentuk pada titik-titik kontak dengan neuron lain, untuk neuron pemancar itu adalah sinaps, untuk penerima itu adalah membran postsinaptik yang dilengkapi dengan reseptor khusus yang merespon mediator, yaitu, kita dapat mengatakan bahwa membran neuron adalah penerima, dan sinapsis pada dendrit adalah pemancar. sinyal.

SINAPSE

Ketika sinaps diaktifkan, ia mengeluarkan bagian-bagian mediator, bagian-bagian ini dapat bervariasi, semakin mediator dikeluarkan, semakin besar kemungkinan sinyal yang diterima akan diaktifkan oleh sel saraf. Mediator, memecahkan celah sinoptik, memasuki membran postsinaptik, di mana reseptor yang merespons mediator berada. Lebih lanjut, mediator dapat dihancurkan oleh enzim destruktif khusus, atau diserap kembali oleh sinaps, ini terjadi untuk mengurangi waktu efek mediator pada reseptor.
Selain rangsangan, ada sinapsis yang menghambat neuron. Biasanya, sinapsis seperti itu milik neuron tertentu, yang ditunjuk sebagai neuron penghambat.
Mungkin ada banyak sinapsis yang menghubungkan neuron dengan sel target yang sama. Untuk menyederhanakan, kami menerima seluruh rangkaian efek dari satu neuron pada neuron target lain untuk sinaps dengan kekuatan dampak tertentu. Karakteristik utama sinaps adalah kekuatannya.

NEGARA EXCITATION OF NEURON

Saat istirahat, membran neuron terpolarisasi. Ini berarti bahwa partikel yang membawa muatan berlawanan terletak di kedua sisi membran. Saat istirahat, permukaan luar membran bermuatan positif, bagian dalam negatif. Pembawa muatan utama dalam tubuh adalah ion natrium (Na +), kalium (K +) dan klorin (Cl-).
Perbedaan antara muatan pada permukaan membran dan di dalam tubuh sel adalah potensi membran. Mediator menyebabkan pelanggaran polarisasi - depolarisasi. Ion positif di luar membran mengalir melalui saluran terbuka ke dalam sel tubuh, mengubah rasio muatan antara permukaan membran dan tubuh sel.

Perubahan potensial membran saat eksitasi neuron

Sifat perubahan potensial membran selama aktivasi jaringan saraf tidak berubah. Terlepas dari berapa banyak kekuatan yang diberikan pada neuron, jika gaya melebihi nilai ambang tertentu, jawabannya akan sama.
Ke depan, saya ingin mencatat bahwa bahkan melacak materi potensial dalam pekerjaan sistem saraf (lihat grafik di atas). Mereka tidak muncul, karena beberapa osilasi harmonis menyeimbangkan muatan, adalah manifestasi ketat dari fase tertentu dari keadaan jaringan saraf setelah eksitasi.

TEORI INTERAKSI ELEKTROMAGNETIK

Jadi, saya akan memberikan asumsi teoritis lebih lanjut yang akan memungkinkan kita untuk membuat model matematika. Gagasan utamanya adalah interaksi antara muatan yang terbentuk di dalam tubuh sel, selama aktivitasnya, dan muatan dari permukaan membran sel aktif lainnya. Muatan ini berlawanan, dalam hubungan ini dapat diasumsikan bagaimana muatan akan ditempatkan di badan sel di bawah pengaruh muatan sel aktif lainnya.

Kita dapat mengatakan bahwa neuron merasakan aktivitas neuron lain dari kejauhan, berupaya mengarahkan propagasi eksitasi ke arah situs aktif lainnya.
Pada saat aktivitas neuron, titik tertentu dalam ruang dapat dihitung, yang akan didefinisikan sebagai jumlah massa muatan yang terletak di permukaan neuron lain. Kami akan menyebut titik ini titik pola, bidangnya tergantung pada kombinasi fase aktivitas semua neuron sistem saraf. Kombinasi unik dari sel-sel aktif disebut pola dalam fisiologi sistem saraf, yaitu, kita dapat berbicara tentang efek dari bagian-bagian otak yang bersemangat pada fungsi neuron individu.
Penting untuk membayangkan kerja neuron tidak hanya sebagai komputer, tetapi semacam repeater eksitasi yang memilih arah propagasi eksitasi, sehingga sirkuit listrik yang kompleks terbentuk. Awalnya, diasumsikan bahwa neuron secara selektif memutus / menyalakan sinapsisnya untuk transmisi, tergantung pada arah eksitasi yang lebih disukai. Tetapi studi yang lebih rinci tentang sifat neuron mengarah pada kesimpulan bahwa neuron dapat mengubah tingkat pengaruh pada sel target melalui kekuatan sinapsisnya, yang menjadikan neuron elemen komputasi yang lebih fleksibel dan variabel dari sistem saraf.

Arah mana untuk transmisi eksitasi yang lebih disukai? Dalam berbagai percobaan yang berkaitan dengan pembentukan refleks tanpa syarat, dapat ditentukan bahwa jalur atau busur refleks terbentuk dalam sistem saraf yang menghubungkan daerah otak yang diaktifkan selama pembentukan refleks tanpa syarat, dan koneksi asosiatif dibuat. Ini berarti bahwa neuron harus mengirimkan rangsangan ke bagian aktif otak lainnya, mengingat arah dan menggunakannya di masa depan.
Bayangkan vektor awal, yang terletak di tengah dudukan aktif, dan ujungnya diarahkan ke titik pola yang ditentukan untuk neuron tertentu. Ditunjukkan sebagai vektor arah rambatan eksitasi yang disukai (T, tren). Dalam neuron biologis, vektor T dapat memanifestasikan dirinya dalam struktur neuroplasma itu sendiri, mungkin ini adalah saluran untuk pergerakan ion dalam tubuh sel, atau perubahan lain dalam struktur neuron.
Neuron memiliki sifat ingatan, dapat menghafal vektor T, arah vektor ini, dapat berubah dan ditimpa tergantung pada faktor-faktor eksternal. Sejauh mana vektor T dapat mengalami perubahan disebut neuroplastisitas.
Vektor ini, pada gilirannya, mempengaruhi fungsi sinapsis neuron. Untuk setiap sinaps, kami mendefinisikan vektor S awal, yang terletak di tengah sel, dan ujungnya diarahkan ke pusat neuron target yang terhubung sinaps. Sekarang, tingkat pengaruh untuk setiap sinaps dapat ditentukan sebagai berikut: semakin kecil sudut antara vektor T dan S, semakin banyak sinaps akan; semakin kecil sudutnya, semakin kuat sinaps akan melemah dan mungkin menghentikan transmisi eksitasi. Setiap sinaps memiliki properti memori independen, ia mengingat arti kekuatannya. Nilai-nilai yang ditunjukkan berubah dengan setiap aktivasi neuron, di bawah pengaruh vektor T, mereka meningkat atau menurun dengan nilai tertentu.

MODEL MATEMATIKA

Sinyal input (x1, x2, ... xn) dari neuron adalah bilangan real yang mencirikan kekuatan sinapsis dari neuron yang mempengaruhi neuron.
Nilai positif dari input berarti efek stimulasi pada neuron, dan nilai negatif berarti efek penghambatan.
Untuk neuron biologis, tidak masalah dari mana asalnya sinyal itu berasal, hasil dari aktivitasnya akan identik. Neuron akan diaktifkan ketika jumlah efek di atasnya melebihi nilai ambang tertentu. Oleh karena itu, semua sinyal melewati penambah (a), dan karena neuron dan sistem saraf bekerja secara real time, oleh karena itu, efek dari input harus dievaluasi dalam waktu singkat, yaitu, efek sinapsis bersifat sementara.
Hasil penambah melewati fungsi ambang (b), jika jumlahnya melebihi nilai ambang, maka ini mengarah ke aktivitas neuron.
Ketika diaktifkan, neuron memberi sinyal aktivitasnya ke sistem, informasi lanjutan tentang posisinya di ruang sistem saraf dan muatannya, yang berubah dalam waktu (dalam).
Setelah waktu tertentu, setelah aktivasi, neuron mentransmisikan eksitasi sepanjang semua sinapsis yang tersedia, yang sebelumnya menceritakan kekuatannya. Seluruh periode aktivasi neuron berhenti merespons rangsangan eksternal, yaitu, semua efek sinapsis dari neuron lain diabaikan. Periode aktivasi juga termasuk periode pemulihan neuron.
Vektor T (g) dikoreksi dengan mempertimbangkan nilai titik pola Pp dan tingkat neuroplastisitas. Selanjutnya, ada penilaian ulang dari semua nilai kekuatan sinapsis dalam neuron (d).
Perhatikan bahwa blok (g) dan (e) dieksekusi secara paralel dengan blok (c).

EFEK GELOMBANG

Jika Anda hati-hati menganalisis model yang diusulkan, Anda dapat melihat bahwa sumber eksitasi harus memiliki efek yang lebih besar pada neuron daripada bagian lain yang aktif dan terpencil dari otak. Oleh karena itu, muncul pertanyaan: mengapa masih ada transfer ke arah situs aktif lain?
Saya dapat mengidentifikasi masalah ini hanya dengan membuat model komputer. Solusinya menyarankan grafik perubahan potensial membran selama aktivitas neuron.

Repolarisasi neuron yang ditingkatkan, seperti yang disebutkan sebelumnya, penting untuk sistem saraf, berkat itu efek dari gelombang diciptakan, keinginan untuk eksitasi saraf untuk menyebar dari sumber eksitasi.
Ketika bekerja dengan model, saya mengamati dua efek, jika kita mengabaikan potensi jejak atau membuatnya tidak cukup besar, maka eksitasi tidak menyebar dari sumber, tetapi cenderung ke lokalisasi. Jika Anda membuat jejak potensial sangat besar, maka kegembiraan cenderung "menyebar" ke arah yang berbeda, tidak hanya dari sumbernya, tetapi juga dari orang lain.

PETA KOGNITIF

Menggunakan teori interaksi elektromagnetik, banyak fenomena dan proses kompleks yang terjadi dalam sistem saraf dapat dijelaskan. Sebagai contoh, salah satu penemuan terbaru, yang banyak dibahas dalam ilmu otak, adalah penemuan peta kognitif di hippocampus.
Hippocampus adalah bagian otak yang bertanggung jawab atas ingatan jangka pendek. Percobaan pada tikus mengungkapkan bahwa tempat tertentu di labirin sesuai dengan kelompok selnya sendiri di hippocampus, dan tidak masalah bagaimana hewan itu sampai ke tempat ini, area jaringan saraf yang sesuai dengan tempat ini akan tetap diaktifkan. Secara alami, hewan harus mengingat labirin ini, jangan mengandalkan korespondensi topologis dari ruang labirin dan peta kognitif.

Setiap tempat di labirin diwakili di otak sebagai satu set rangsangan yang berbeda sifatnya: bau, warna dinding, kemungkinan objek-objek penting, bunyi-bunyi khas, dll. Stimulus ini tercermin dalam korteks, berbagai representasi indra, dalam bentuk semburan aktivitas dalam kombinasi tertentu. Otak memproses informasi secara simultan di beberapa departemen, seringkali saluran informasi dibagi, informasi yang sama mengalir ke berbagai bagian otak.

Aktivasi neuron tempat tergantung pada posisi di labirin (aktivitas neuron yang berbeda ditampilkan dalam warna berbeda). sumber

Hippocampus terletak di pusat otak, seluruh mobil dan daerah-daerahnya dihilangkan darinya, pada jarak yang sama. Jika untuk setiap kombinasi rangsangan yang unik kita menentukan titik massa muatan pada permukaan neuron, kita dapat melihat bahwa titik-titik ini akan berbeda dan akan terletak kira-kira di pusat otak. Eksitasi dalam hippocampus akan cenderung ke titik-titik ini dan menyebar, membentuk area eksitasi yang stabil. Selain itu, perubahan kombinasi kombinasi rangsangan akan mengarah pada pergeseran titik pola. Bagian-bagian dari peta kognitif akan secara asosiatif saling berhubungan satu sama lain secara berurutan, yang akan mengarah pada fakta bahwa hewan, yang ditempatkan di awal labirin yang akrab dengannya, dapat mengingat seluruh jalur selanjutnya.

Kesimpulan

Banyak yang akan memiliki pertanyaan, di mana dalam karya ini adalah prasyarat untuk elemen rasionalitas atau manifestasi dari aktivitas intelektual yang lebih tinggi?
Penting untuk dicatat bahwa fenomena perilaku manusia adalah konsekuensi dari berfungsinya struktur biologis. Oleh karena itu, untuk meniru perilaku yang masuk akal, perlu dipahami dengan baik prinsip-prinsip dan fitur fungsi struktur biologis. Sayangnya, algoritma yang jelas belum disajikan dalam ilmu biologi: bagaimana neuron bekerja, bagaimana neuron memahami di mana perlu untuk menumbuhkan dendritnya, cara mengkonfigurasi sinapsisnya sehingga refleks terkondisi yang sederhana dapat dibentuk dalam sistem saraf, mirip dengan yang ditunjukkan dan dijelaskan dalam Akademisi I.P. Pavlov.
Di sisi lain, dalam ilmu kecerdasan buatan, dalam pendekatan ke atas (biologis), ada situasi paradoks, yaitu: ketika model yang digunakan dalam penelitian didasarkan pada ide-ide usang tentang neuron biologis, konservatisme, yang didasarkan pada perceptron tanpa memikirkan kembali prinsip-prinsip dasarnya, tanpa menarik bagi sumber biologis, muncul dengan algoritma dan struktur yang lebih canggih yang tidak memiliki akar biologis.
Tentu saja, tidak ada yang mengurangi manfaat dari jaringan saraf klasik, yang telah menyediakan banyak produk perangkat lunak yang bermanfaat, tetapi bermain dengan mereka bukanlah cara untuk menciptakan sistem yang berfungsi secara intelektual.
Selain itu, pernyataan bahwa neuron seperti mesin komputasi yang kuat tidak jarang dikaitkan dengan properti komputer kuantum. Karena superkompleksitas ini, ketidakmungkinan pengulangannya dikaitkan dengan sistem saraf, karena ini sepadan dengan keinginan untuk memodelkan jiwa manusia. Namun, pada kenyataannya, alam mengikuti jalur kesederhanaan dan keanggunan dari keputusannya, pergerakan muatan pada membran sel dapat berfungsi baik untuk mengirimkan eksitasi saraf dan untuk mengirimkan informasi tentang di mana transfer ini terjadi.
Terlepas dari kenyataan bahwa karya ini menunjukkan bagaimana refleks terkondisi dasar terbentuk dalam sistem saraf, itu membawa kita lebih dekat untuk memahami apa kecerdasan dan aktivitas cerdas.

Ada banyak lagi aspek sistem saraf: mekanisme penghambatan, prinsip-prinsip membangun emosi, pengaturan refleks tanpa syarat dan pelatihan, yang tanpanya mustahil membangun model kualitatif sistem saraf. Ada pemahaman, pada tingkat intuitif, tentang bagaimana sistem saraf bekerja, prinsip-prinsipnya dapat diwujudkan dalam model.
Penciptaan model pertama membantu memperbaiki dan memperbaiki gagasan interaksi elektromagnetik neuron. Untuk memahami bagaimana pembentukan busur refleks terjadi, bagaimana setiap neuron individu memahami bagaimana mengkonfigurasi sinapsisnya untuk mendapatkan koneksi asosiatif.
Saat ini, saya mulai mengembangkan versi baru dari program ini, yang akan memungkinkan Anda untuk mensimulasikan banyak aspek lain dari neuron dan sistem saraf.

Saya meminta Anda untuk mengambil bagian aktif dalam pembahasan hipotesis dan asumsi yang diajukan di sini, karena saya dapat menjadi bias terhadap ide-ide saya. Pendapat Anda sangat penting bagi saya.

Tutorial Model (Windows PC) +

(Windows PC)

Bagaimana cara otak kita bekerja atau bagaimana membuat model jiwa?