⚓️ 🚴 🖐🏿 A estrutura e as configurações iniciais do cérebro 🍘 🚵🏻 👧🏻

Saber como um neurônio funciona não é suficiente para entender o que causa comportamento racional e intelectual. A Evolution alcançou um domínio incrível ao criar um sistema de elementos relativamente simples que podem impressionar com um sucesso incrível na interação com o ambiente. Não é suficiente ter uma certa massa de neurônios conectados (mesmo em camadas) para conectar sensores e conclusões a ele e obter pelo menos alguma aparência do cérebro. O principal campo de evolução ao longo de milhões de anos não é um neurônio, mas a estrutura e organização interna das células nervosas no sistema nervoso.

Na parte anterior, falamos sobre a estrutura do córtex cerebelar e pode ser visto a partir de seu exemplo que estrutura e organização são fundamentais para suas funções. Vejamos como o córtex cerebral está organizado, a estrutura pela qual o homem se tornou a espécie de maior sucesso na Terra.

Sumário

1. Um simulador do sistema nervoso. Parte 1. Adicionador simples
2. Simulador do sistema nervoso. Parte 2. Neuroelemento modulado
3. Simulador de sistema nervoso. Parte 3. Neuroelemento associativo
4. Memória, consolidação da memória e neurônios da avó
5. Modelagem da emoção ou senso eletrônico de novidade
6. Incrível cerebelo
7. Estrutura e configurações cerebrais iniciais

Sabe-se que o córtex cerebral do cérebro humano consiste em seis camadas convencionais, mas chegou a essa forma em muitos estágios de evolução. Portanto, para iniciantes, consideraremos uma versão simplificada com 2 a 3 camadas, porque essa opção também ocorre na natureza. É mais lucrativo estudar qualquer estrutura biológica do ponto de vista de seu desenvolvimento evolutivo. A evolução seguiu dois caminhos de desenvolvimento do córtex: um aumento no número de camadas e um aumento na área total do córtex.

A segunda característica do córtex é a presença das chamadas colunas corticais. Podemos dizer que uma coluna cortical é uma unidade lógica da estrutura do córtex. O crescimento do próprio córtex durante o desenvolvimento embrionário é realizado dividindo e copiando colunas inteiras. E isso é lógico se queremos manter uma certa estrutura com crescimento.

As colunas corticais são baseadas em neurônios piramidais. Os neurônios piramidais são um dos maiores neurônios do sistema nervoso, portanto, os mais estudados, pois seu tamanho permite que você atue neles usando eletrodos especiais sem destruir a célula. Esses neurônios têm um sistema desenvolvido de dendritos, que se espalha por toda a coluna, bem como um axônio que, em alguns casos, é fonte de um sinal de entrada ou saída. Apesar do fato de haver vários desses neurônios nas primeiras camadas da coluna cortical, todos funcionam como um único neuroelemento. A atividade de uma célula piramidal geralmente significa a atividade de todo o grupo de células. O desenvolvimento evolutivo do sistema nervoso estava anteriormente focado na confiabilidade, e a duplicação ou distribuição de uma função em grupos de células é um fenômeno universal.É impossível imaginar um esquema criado pela natureza em que a morte de apenas uma célula levaria à interrupção do funcionamento de toda uma unidade funcional. Podemos dizer que a atividade de um grupo de células piramidais em uma coluna indica a atividade da própria coluna.

Os alto-falantes podem ser divididos em dois tipos: formar um sinal e receber um sinal. O tipo de coluna depende da existência de axônios nos neurônios piramidais: aferentes ou eferentes. Se houver axônios aferentes, ou seja, trazendo um sinal, a coluna será ativada após o recebimento do sinal; é possível retransmitir o sinal, se houver um axônio eferente. Na presença de axônios eferentes, o resultado da atividade da coluna será a formação de um sinal de saída.

Os dendritos dos neurônios piramidais se estendem para as camadas superiores do córtex, onde se estendem além dos limites de sua coluna cortical, assim, é realizada a interação local entre as colunas vizinhas. Uma forma de interação local é a inibição lateral (lateral). A inibição de colunas vizinhas é realizada por meio de neurônios inibitórios especiais, que fazem parte das colunas corticais. Os neurônios principalmente inibitórios exercem seu efeito sobre os neurônios piramidais, impedindo sua ativação.

A inibição lateral ocorre nas colunas adjacentes adjacentes. Isso nos permite tornar os limites das regiões das colunas ativas mais claros e as regiões de atividade mais localizadas. Devido à inibição lateral, surge um obstáculo à forte propagação da excitação.

Além da inibição lateral, há também um impulso lateral. Ajustando o equilíbrio entre esses dois fatores, é possível regular com precisão o nível de atividade geral no cérebro. Por exemplo, para dormir, é necessário diminuir o nível de atividade, para isso é necessário fortalecer a inibição lateral e enfraquecer o desejo. Isso é feito através de sinais e mediadores químicos especiais.

O efeito nas colunas adjacentes nem sempre tem a forma de uma distribuição concêntrica uniforme. Para o córtex entorrinal, uma distribuição é característica, o que permite que a excitação se propague mais facilmente em uma determinada rede triangular. Estas são as chamadas células da grade, que ajudam os animais a navegar no espaço, modificando adicionalmente a imagem do local de estadia.

O próximo elemento da coluna cortical é uma camada de muitos neurônios estrelados relativamente pequenos. Essa camada é geralmente chamada de granular. Devido ao seu tamanho, os neurônios dessa camada são menos estudados que os neurônios piramidais. São os neurônios dessa camada que podem ter o papel principal nos processos computacionais do cérebro, graças ao seu trabalho, à formação de conexões associativas e à formação de imagens. Os "cálculos" ocorrem de acordo com os princípios da atração mútua de excitação. Os neurônios da camada granular são um neuroelemento associativo . E o papel de um somador simples é atribuído às células piramidais , esses elementos meio que separados, destacam imagens. Os neurônios piramidais serão ativados mediante a excitação de uma parte significativa dos neurônios da camada granular da coluna.

As conexões entre os neurônios estrelados podem ir livremente além dos limites de suas colunas corticais; podemos dizer que a camada granular é quase contínua.

Memória, consolidação da memória e neurônios da avó

Essa versão da coluna cortical e da estrutura do córtex é muito simples e pode até parecer primitiva, mas quando usada em larga escala e com configurações adequadas, você pode obter uma estrutura com alto desempenho computacional. A natureza sempre escolheu as soluções mais simples, confiáveis e eficazes, e nosso sistema nervoso não é uma exceção a essa regra. Freqüentemente me deparo com a opinião de que um neurônio é semelhante a um supercomputador ou computador quântico que faz cálculos complexos usando algum tipo de vibração de íons em sua membrana ou mecanismos quânticos. Mesmo o algoritmo de somatória nos neurônios de um perceptron comum é mais complexo do que no análogo biológico, no perceptron é importante qual das sinapses os sinais provêm e, no biológico, apenas a quantidade total de impacto é importante.O pensamento estereotipado sobre a complexidade inacessível do cérebro pode impedir a compreensão da natureza do sistema biológico.

Surpreendentemente, a estrutura descrita é universal para vários tipos de áreas corticais: sensorial, motora e associativa. Variações na espessura relativa de várias camadas são possíveis, dependendo da função da região da crosta. Por exemplo, no córtex motor, a camada de neurônios piramidais é aumentada em relação à camada granular, porque os sinais do córtex motor devem ser claros e fortes. E para regiões associativas, uma camada aumentada de neurônios estrelados é característica para fornecer a maior flexibilidade na formação de arcos reflexos associativos.

As áreas corticais estão entrelaçadas com muitas ligações, isto é devido a axônios, longos processos de neurônios. Os feixes de axônio formam nervos, que são a chamada substância branca. Esses nervos podem conectar áreas vizinhas e áreas de metades opostas do cérebro. Além disso, a arquitetura dessas conexões se deve ao desenvolvimento evolutivo do cérebro e à experiência e aprendizado parcialmente adquiridos, mas para pessoas diferentes o quadro dessas conexões será semelhante. Existem vários projetos científicos relacionados ao mapeamento desses relacionamentos, por exemplo, o Projeto Human Connectom .

Vejamos os princípios pelos quais essas comunicações são organizadas.

O diagrama apresentado é apenas um exemplo para entender os princípios de organização. Esquemas reais no sistema nervoso biológico são muitas vezes mais complicados.

Imagine um determinado campo receptor com uma série de receptores do mesmo tipo, permitindo obter algumas informações sobre o meio ambiente. Certos campos receptores formam sinais combinados, por exemplo, a retina do olho. Tais sinais requerem certas capacidades de análise. Colunas representativas desses receptores serão distribuídas ao longo do córtex sensorial com uma certa densidade, mantendo a topologia da disposição dos receptores no campo receptor (A). De acordo com os princípios da atração mútua de excitação, certas seções de excitação se formarão no córtex, que será a imagem do sinal combinado recebido. O córtex sensorial primário geralmente tem a maior neuroplasticidade, isto é, qualquer combinação de colunas animadas será processada sem levar em conta as informações recebidas anteriormente.A imagem resultante será lida por outras colunas, também com uma certa densidade distribuída sobre o córtex sensorial. Essas colunas transmitirão informações para processamento adicional às seguintes áreas do córtex. A natureza e a densidade das colunas de "leitura" fornecem um certo filtro para as imagens resultantes. Não é difícil entender que esse método de processamento leva a uma perda significativa de informações recebidas dos receptores; as imagens obtidas não fornecem informações inequívocas sobre quais receptores específicos foram ativados. A evolução escolheu duas maneiras de eliminar esse problema. Em primeiro lugar, este é um número excessivo de receptores, que compensam a queda no conteúdo da informação após o processamento. Em segundo lugar, se você duplicar informações de receptores em outra área,mas com uma violação da topologia da localização das colunas representativas em relação à localização dos receptores no campo receptor (B), isto é, confundi-los. Então, com muitas combinações diferentes de atividade do receptor em duas áreas, diferentes combinações de imagens serão formadas, o que fornece mais informações e mais sinais que podemos destacar. Naturalmente, deve-se entender que a “confusão” de sinais ocorre de maneira estritamente definida; por exemplo, se “confundir” todo o campo da retina do olho, não será bom. Confusão ocorre em pequenos fragmentos de campos receptores. E é claro que podemos, se for necessário duplicar e confundir os sinais mais de uma vez. No sistema nervoso, um exemplo dessa separação são as vias dorsal e ventral do processamento do sinal visual.Então, com muitas combinações diferentes de atividade do receptor em duas áreas, diferentes combinações de imagens serão formadas, o que fornece mais informações e mais sinais que podemos destacar. Naturalmente, deve-se entender que a “confusão” de sinais ocorre de maneira estritamente definida; por exemplo, se “confundir” todo o campo da retina do olho, não será bom. Confusão ocorre em pequenos fragmentos de campos receptores. E é claro que podemos, se for necessário duplicar e confundir os sinais mais de uma vez. No sistema nervoso, um exemplo dessa separação são as vias dorsal e ventral do processamento do sinal visual.Então, com muitas combinações diferentes de atividade do receptor em duas áreas, diferentes combinações de imagens serão formadas, o que fornece mais informações e mais sinais que podemos destacar. Naturalmente, deve-se entender que a “confusão” de sinais ocorre de maneira estritamente definida; por exemplo, se “confundir” todo o campo da retina do olho, não será bom. Confusão ocorre em pequenos fragmentos de campos receptores. E é claro que podemos, se for necessário duplicar e confundir os sinais mais de uma vez. No sistema nervoso, um exemplo dessa separação são as vias dorsal e ventral do processamento do sinal visual.que a “confusão” de sinais ocorre de maneira estritamente definida, por exemplo, se “confundir” todo o campo da retina do olho, não será bom. Confusão ocorre em pequenos fragmentos de campos receptores. E é claro que podemos, se for necessário duplicar e confundir os sinais mais de uma vez. No sistema nervoso, um exemplo dessa separação são as vias dorsal e ventral do processamento do sinal visual.que a “confusão” de sinais ocorre de maneira estritamente definida, por exemplo, se “confundir” todo o campo da retina do olho, não será bom. Confusão ocorre em pequenos fragmentos de campos receptores. E é claro que podemos, se for necessário duplicar e confundir os sinais mais de uma vez. No sistema nervoso, um exemplo dessa separação são as vias dorsal e ventral do processamento do sinal visual.

O princípio geral de processar informações pelo córtex cerebral é a transmissão seqüencial de informações de região para região com uma diminuição na densidade de conexões. Além disso, a cada nível subseqüente, a neuroplasticidade das regiões diminui, o que acrescenta memória e experiência ao processamento de informações anteriores nos cálculos. Assim, algumas características-chave que serão associadas a células nervosas específicas podem ser distinguidas das informações processadas. Simplificando, nas regiões do córtex com um nível mais alto de processamento, será formada a forma da distribuição de excitação que corresponde à forma mais frequente do sinal processado.

A imagem formada “abc” por uma combinação das colunas a, bec com repetição frequente ou reforço emocional continuará sendo executada mesmo se a combinação ativada for incompleta e barulhenta.

Em cada nível de processamento de informações, é gasto um certo tempo, se for necessário analisar a dinâmica da mudança de informações com o tempo, é possível duplicar parte das informações de cada nível para uma área. Um análogo em biologia é a área de processamento de informações visuais MT (V5), o córtex médio-temporal, que coleta informações das áreas V1, V2, V3 ..., essa área é responsável pela percepção do movimento. Se esta área estiver danificada, ocorre uma acinopsia - incapacidade de perceber o movimento.

As áreas associativas são relativamente simples em estrutura, com escritórios de representação de várias áreas sensoriais e motoras localizadas aqui. Além disso, para representações de motores, é importante ter conexões bidirecionais, axônios que podem trabalhar em ambas as direções ou colunas adjacentes e de trabalho em ambas as extremidades, ou dois axônios da mesma coluna trabalhando em direções diferentes. Devem existir muitas áreas com natureza diferente da localização dos escritórios de representação, para que a possibilidade de formar arcos reflexos para diferentes combinações seja igualmente possível. Nessas áreas, reflexos condicionados são formados, portanto, essas áreas devem ter ductilidade reduzida.

Todas as comunicações nas áreas motora e costeira devem ser de natureza bilateral, isso é necessário para a formação de relações associativas. Essencialmente, a região primordial deve formar os arcos reflexos das seqüências de um foco de excitação para outro. Para ter mais variabilidade, é necessário ter escritórios de representação que levem a ações repetidamente misturadas, semelhante à situação com processamento sensorial apenas na ordem inversa. Além disso, todas as ações motoras interagem com uma área especialmente coordenada de ação coordenada no tempo - o cerebelo.

Os esquemas apresentados são uma forte simplificação de como é triplicado no cérebro, e a criação de estruturas lógicas semelhantes ao sistema nervoso humano é impossível sem a participação de especialistas no campo da neurobiologia e de cientistas que estudam conectividade.

Mas e o resto das camadas ?! - Na verdade, eu só falei sobre três camadas do córtex, mas no cérebro humano existem seis camadas no córtex cerebral. O córtex cerebral provou ser um produto da evolução bastante bem-sucedido, mesmo com um pequeno número de camadas. O princípio da evolução: não toque no que funciona. Portanto, uma nova camada no córtex é um complemento para as camadas existentes. Se você observar as camadas do cérebro humano, poderá ver que não temos seis camadas visíveis, mas duas camadas lógicas, cuja estrutura é semelhante e se repete. A evolução simplesmente repetiu a estrutura existente para aumentar a produtividade.

As células piramidais da camada externa são menores que as células piramidais da primeira camada, o que significa que elas basicamente têm um limite mais alto de sensibilidade aos fatores ativadores. As camadas granulares funcionarão sob condições semelhantes, mas presumivelmente os neurônios estrelados da camada externa têm ductilidade mais baixa, o que significa que, sob certas condições, os padrões de atividade nas camadas granulares podem variar, apesar do fato de que os sinais recebidos são os mesmos.

Graças a essas duas camadas lógicas, dois modos de atividade da coluna cortical surgem. Primeiro: o modo de atividade total, as células piramidais de ambas as camadas são ativadas, a coluna inteira é ativada. Segundo: modo de atividade parcial, quando apenas a camada adicional superior é ativada. Esses dois modos de operação da coluna podem ser comparados com a capacidade de uma pessoa falar em voz alta e em um sussurro, um sussurro é uma atividade parcial e uma voz completa é uma atividade completa.

O que isso dá? Para o córtex sensorial, esse é um nível adicional de processamento de informações, bem como a capacidade de trabalhar com imagens dessas áreas sem ativação por meio de receptores. Em outras palavras, torna possível trabalhar com a imaginação. Para áreas associativas, esse é um nível adicional de abstração, a formação de associações entre imagens com características menos comuns, uma vez que o limiar de sensibilidade das células piramidais da camada adicional é maior. Para o motor e o córtex motor, esta é uma oportunidade de realizar alguns movimentos sem executá-los diretamente. Somente com a ativação completa da coluna são realizadas ações, ações com ativação parcial permanecem em nossa imaginação.

É claro que existem áreas no cérebro que controlam a operação dos modos de coluna, assim como podemos mudar muito facilmente a natureza de nossa fala, de um sussurro para força total. Se você aumentar o nível de inibição na coluna, é possível que ele seja ativado apenas parcialmente; se, pelo contrário, diminuir a velocidade da coluna, alguns pensamentos poderão ser imediatamente traduzidos em ação.

A fantasia e um alto nível de pensamento abstrato tornaram o homem a espécie mais bem-sucedida da Terra.

Mesmo se configurarmos corretamente as áreas e os relacionamentos entre elas, isso não será suficiente para obter um modelo de trabalho. Reflexos não condicionados são necessários. O homem nasce com um rico conjunto de mecanismos reflexos, cuidadosamente selecionados pela evolução.

A criação de reflexos não condicionados para o modelo é um ponto importante, pois o aprendizado de novos reflexos sempre ocorre com base nos reflexos existentes. Se alguma ação não estiver envolvida em nenhum reflexo incondicionado, será impossível aprender a controlar essa ação.
Nos sistemas biológicos, os reflexos "claros" não foram estabelecidos inicialmente. Após o nascimento, não podemos controlar com precisão nossos membros ou, por exemplo, andar. Isso se deve ao fato de ser impossível determinar antecipadamente alguns parâmetros do corpo, o tamanho dos membros, seu peso, a força criada pelos músculos, etc. além disso, esses parâmetros também mudam dinamicamente durante o crescimento do organismo. Portanto, muitos reflexos não condicionados têm em sua resposta um certo campo de ação e no cabeçalho do campo de seus receptores ativadores. Também é estabelecido o mecanismo emocional associado aos reflexos não condicionados, que acionam reflexos para correção em um determinado momento do desenvolvimento.

Considere o mecanismo para corrigir reflexos como um exemplo de conversa sobre bebês. De acordo com um certo estágio de desenvolvimento, o mecanismo de balbuciar começa, isto é, ocorre quase espontaneamente o início dos reflexos "nebulosos". Quando começam, a criança começa a emitir vários sons, às vezes os mesmos reflexos são provocados pelo som ouvido de lado. Os sons pronunciados geralmente não são os esperados, ou seja, não correspondem a sons que desencadeiam um reflexo ou que são hipotéticos. A criança ouve os sons emitidos por ela, recebendo feedback entre a equipe e a ação resultante. Além disso, entra em vigor o mecanismo emocional da novidade, que conecta o centro da necessidade de novidade com um ato de fala, que dá uma nova associação entre o som audível e o motivo interno que motivou a ação.O que leva à repetição repetida da ação, levando à saturação de um senso de novidade. Alega-se que a criança durante o período de balbuciação pronuncia todos os sons de todas as línguas da Terra. A repetição repetida de sons leva à formação de padrões claros de ação, de acordo com o resultado desejado.

Da mesma forma, o domínio do sistema motor-motor ocorre. Inicialmente, os movimentos dos bebês são quase caóticos, há apenas um aumento da atividade motora como reação a um estímulo emocional. Mas com o tempo, há uma comparação de movimentos e percepção visual, tátil e percepção da posição do corpo.

Alguns reflexos não condicionados não são tão primitivos; em certos casos, as imagens dos modelos são incorporadas no sistema nervoso, e é quase impossível transferir esses modelos dos sistemas biológicos para o modelo de computador. Uma pessoa tem uma capacidade inata de reconhecer as emoções e movimentos de indivíduos de sua espécie. Portanto, para alguns aspectos do aprendizado, será necessário aplicar algumas soluções alternativas.

Para contornar o processo de treinamento de longo prazo do sistema motor-motor através de inúmeras tentativas de engatinhar, levantar-se, andar e uma série de quedas para robôs Android, é possível aplicar o método de interceptação de controle.

Uma pessoa pode transferir sua experiência de controle corporal para um robô por meio de dispositivos e tecnologias especiais para interceptar movimentos. Em um modelo do sistema nervoso de um robô com controle interceptado durante as ações motoras, as representações correspondentes serão ativadas, portanto, se o próprio robô executar esses movimentos. Graças ao que as imagens e conexões associativas necessárias seriam formadas. Por exemplo, durante o treinamento com o comando: “Levante as mãos” - o treinador no modo de interceptação de movimentos levanta as mãos, isso levaria à formação de um reflexo condicionado entre a equipe e a ação, além de uma relação associativa entre a equipe e a imagem formada pelo processamento de sensores de posição corpo.

No processo de treinamento do modelo eletrônico do cérebro, sempre é possível controlar a plasticidade das áreas desejadas, e também há a oportunidade de olhar “dentro” do processo de aprendizagem e destacar, designar e fortalecer as imagens resultantes. O que deve acelerar significativamente o processo de treinamento do sistema nervoso artificial em relação ao treinamento humano. Como já ficou claro, um modelo construído de acordo com os princípios descritos será treinado em sua maior parte como uma pessoa, sem compartilhar treinamento e interação com o ambiente.

Em vez de uma conclusão

Esta série de artigos encerra a próxima etapa de pesquisa e desenvolvimento. O programa desenvolvido para modelagem, embora limitado em sua funcionalidade, possibilitou formar uma base teórica para trabalhos futuros. Obviamente, a teoria resultante ainda requer refinamento, bem como confirmações e verificações práticas. Mas agora permitirá uma visão diferente da tarefa de modelar o sistema nervoso. O próximo passo é o desenvolvimento de um novo ambiente de modelagem que nos permita criar modelos de processos em larga escala que ocorrem no sistema nervoso. E também incorporar uma série de idéias, observações e conclusões teóricas.

Não sou cientista e minha ocupação principal não está relacionada ao desenvolvimento de sistemas inteligentes, nem à neurociência. Mas farei o possível para que o projeto chegue à sua conclusão lógica. Ficarei feliz em considerar suas sugestões, dicas e truques, além de críticas construtivas. Definitivamente, vou falar sobre as novidades do desenvolvimento do projeto nas páginas do GeekTimes e no meu canal do YouTube. Obrigado a todos!

Download do Sistema Nervoso Simulador para Windows

PS Será desumano definir a fonte sem explicação. Portanto, postarei um link para a fonte e algumas explicações sobre o algoritmo e a lógica em um artigo separado.

A estrutura e as configurações iniciais do cérebro

Em vez de uma conclusão

More articles: