| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Химические реакции, наноэлектроника и мозг человека
Научно-исследовательский ядерный университет Московский инженерно-физический институт Факультет «Автоматики и электроники» Кафедра «Микро- и наноэлектроники»  Химические реакции, наноэлектроника и мозг человека
Преподаватель: доцент В.А. Лапшинский
Подготовил студент группы А4-11
Сазонов Е.О.
Москва 18.05.2011
ВВЕДЕНИЕ
В нашей голове находится великолепное устройство, которое управляет нашими действиями и каким-то образом даёт нам представление об окружающем мире. Его устройство давно изучается человеком, но чем больше мы понимаем, тем больше возникает вопросов. Работа посвящена принципу работы головного мозга человека. Детального изучения его строения на макро и микро уровне, возможность действия квантовых законов в мозге, использование нанотехнологий. Возможность применения нанотехнологий для изучения человеческого мозга. Современные проекты по работе в этой области будут рассмотрены современные взгляды на его изучение. Приведены в пример статьи современных учёных о внедрении «нано» в жизнь. Актуальности этого вопроса велика, и реализация современных технологий в мозге человека в ближайшем будущем- это не сказки.
ОСНОВНЫЕ ЧАСТИ ГОЛОВНОГО МОЗГА
Головной мозг можно условно разделить на три основные части: передний мозг, ствол мозга и мозжечок. В переднем мозгу выделяют большие полушария, таламус, гипоталамус и гипофиз (одну из важнейших нейроэндокринных желез). Ствол мозга состоит из продолговатого мозга, моста (варолиева моста) и среднего мозга.
Большие полушария
Самая большая часть мозга, составляющая у взрослых примерно 70% его веса.
В норме полушария симметричны. Они соединены между собой массивным пучком аксонов (мозолистым телом), обеспечивающим обмен информацией.
Каждое полушарие состоит из четырех долей: лобной, теменной, височной и затылочной. В коре лобных долей содержатся центры, регулирующие двигательную активность, а также, вероятно, центры планирования и предвидения. В коре теменных долей, расположенных позади лобных, находятся зоны телесных ощущений, в том числе осязания и суставно-мышечного чувства. Сбоку к теменной доле примыкает височная, в которой расположены первичная слуховая кора, а также центры речи и других высших функций. Задние отделы мозга занимает затылочная доля, расположенная над мозжечком; ее кора содержит зоны зрительных ощущений.
Области коры, непосредственно не связанные с регуляцией движений или анализом сенсорной информации, именуются ассоциативной корой. В этих специализированных зонах образуются ассоциативные связи между различными областями и отделами мозга и интегрируется поступающая от них информация. Ассоциативная кора обеспечивает такие сложные функции, как научение, память, речь и мышление.
 Рис.1 Полушария мозга
Подкорковые структуры
Ниже коры залегает ряд важных мозговых структур, или ядер, представляющих собой скопление нейронов. К их числу относятся таламус, базальные ганглии и гипоталамус. Таламус – это основное сенсорное передающее ядро; он получает информацию от органов чувств и, в свою очередь, переадресует ее соответствующим отделам сенсорной коры. В нем имеются также неспецифические зоны, которые связаны практически со всей корой и, вероятно, обеспечивают процессы ее активации и поддержания бодрствования и внимания. Базальные ганглии – это совокупность ядер (т.н. скорлупа, бледный шар и хвостатое ядро), которые участвуют в регуляции координированных движений (запускают и прекращают их).
Гипоталамус – маленькая область в основании мозга, лежащая под таламусом. Богато снабжаемый кровью, гипоталамус – важный центр, контролирующий гомеостатические функции организма. Он вырабатывает вещества, регулирующие синтез и высвобождение гормонов гипофиза. В гипоталамусе расположены многие ядра, выполняющие специфические функции, такие, как регуляция водного обмена, распределения запасаемого жира, температуры тела, полового поведения, сна и бодрствования.
Ствол мозга
Расположен у основания черепа. Он соединяет спинной мозг с передним мозгом и состоит из продолговатого мозга, моста, среднего и промежуточного мозга.
Через средний и промежуточный мозг, как и через весь ствол, проходят двигательные пути, идущие к спинному мозгу, а также некоторые чувствительные пути от спинного мозга к вышележащим отделам головного мозга. Ниже среднего мозга расположен мост, связанный нервными волокнами с мозжечком. Самая нижняя часть ствола – продолговатый мозг – непосредственно переходит в спинной. В продолговатом мозгу расположены центры, регулирующие деятельность сердца и дыхание в зависимости от внешних обстоятельств, а также контролирующие кровяное давление, перистальтику желудка и кишечника.
 Рис.2 Схема соматосенсорных структур в стволе мозга
На уровне ствола проводящие пути, связывающие каждое из больших полушарий с мозжечком, перекрещиваются. Поэтому каждое из полушарий управляет противоположной стороной тела и связано с противоположным полушарием мозжечка.
Мозжечок
Расположен под затылочными долями больших полушарий. Через проводящие пути моста он связан с вышележащими отделами мозга. Мозжечок осуществляет регуляцию тонких автоматических движений, координируя активность различных мышечных групп при выполнении стереотипных поведенческих актов; он также постоянно контролирует положение головы, туловища и конечностей, т.е. участвует в поддержании равновесия. Согласно последним данным, мозжечок играет весьма существенную роль в формировании двигательных навыков, способствуя запоминанию последовательности движений.
 Рис.3 Препарат мозга человека, красным выделен мозжечок
Другие системы
Лимбическая система – широкая сеть связанных между собой областей мозга, которые регулируют эмоциональные состояния, а также обеспечивают научение и память. К ядрам, образующим лимбическую систему, относятся миндалевидные тела и гиппокамп (входящие в состав височной доли), а также гипоталамус и ядра т.н. прозрачной перегородки (расположенные в подкорковых отделах мозга).
Ретикулярная формация – сеть нейронов, протянувшаяся через весь ствол к таламусу и далее связанная с обширными областями коры. Она участвует в регуляции сна и бодрствования, поддерживает активное состояние коры и способствует фокусированию внимания на определенных объектах.
 Рис.4 Лимбическая система в головном мозге
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ МОЗГА
С помощью электродов, размещенных на поверхности головы или введенных в вещество мозга, можно зафиксировать электрическую активность мозга, обусловленную разрядами его клеток. Запись электрической активности мозга с помощью электродов на поверхности головы называется электроэнцефалограммой (ЭЭГ). Она не позволяет записать разряд отдельного нейрона. Только в результате синхронизированной активности тысяч или миллионов нейронов появляются заметные колебания (волны) на записываемой кривой.
При постоянной регистрации на ЭЭГ выявляются циклические изменения, отражающие общий уровень активности индивида. В состоянии активного бодрствования ЭЭГ фиксирует низкоамплитудные неритмичные бета-волны. В состоянии расслабленного бодрствования с закрытыми глазами преобладают альфа-волны частотой 7–12 циклов в секунду. О наступлении сна свидетельствует появление высокоамплитудных медленных волн (дельта-волн). В периоды сна со сновидениями на ЭЭГ вновь появляются бета-волны, и на основании ЭЭГ может создаться ложное впечатление, что человек бодрствует (отсюда термин «парадоксальный сон»). Сновидения часто сопровождаются быстрыми движениями глаз (при закрытых веках). Поэтому сон со сновидениями называют также сном с быстрыми движениями глаз. ЭЭГ позволяет диагностировать некоторые заболевания мозга, в частности эпилепсию.
 Рис.5 Получение ЭЭГ
Если регистрировать электрическую активность мозга во время действия определенного стимула (зрительного, слухового или тактильного), то можно выявить т.н. вызванные потенциалы – синхронные разряды определенной группы нейронов, возникающие в ответ на специфический внешний стимул. Исследование вызванных потенциалов позволило уточнить локализацию мозговых функций, в частности связать функцию речи с определенными зонами височной и лобной долей. Это исследование помогает также оценить состояние сенсорных систем у больных с нарушением чувствительности.
ТЕРМОДИНАМИКА МОЗГА
Мозг в целом можно считать реакционной термодинамической системой, находящейся в стационарном состоянии. Приток энергии и сброс избыточного тепла мозгом сбалансированы в узком диапазоне температур от ~37о (центр мозга) до ~36оС (кора мозга). Этот градиент температуры, будучи обусловлен более низкой температурой внешней среды, может играть существенную роль в ориентировании тепловых потоков внутри мозга. Аналогичный градиент температуры наблюдается и для тела, она имеет максимум в прямой кишке, а минимум в поверхностном слое клетчатки и мужских яичках. Диапазон оптимальной температуры метаболизма находится в пределах значений температур, для которых изобарная теплоемкость чистой воды имеет минимум. Особенности термодинамики фазовых переходов водных растворов в процессе филогенеза легли в основу механизма адаптации живых систем, которая, по сути, представляет собой изоэнергетические переходы или переходы с энергией активации порядка kΔT (при ΔT ~ 0,1 – 1 К) между состояниями разной степени упорядоченности белковых молекул или однородных, молекулярно-клеточных ансамблей. Снижение энтропийной составляющей внутренней энергии живой системы сопряжено с резонансным поглощением ею кванта внешней ЭМ- или нейтринной энергии, который она преобразует в активный метаболический квазифотон. Жидкостная среда обеспечивает отвод кванта тепловой энергии (энтропии) за границы системы, а действием квазифотона реализуется функция той или иной структуры мозга, включающей в себя упорядоченную подсистему. Энергия, выделяемая или поглощаемая при таких переходах, может оказаться намного порядков меньше kT. В неравновесных условиях колебания отдельных макромолекул могут синхронизироваться, в частности, посредством электромагнитного поля.
Таким образом, термодинамика мозга сочетает равновесно-стационарную термодинамику метаболизма и неравновесную термодинамику нейросети.
НЕЙРОХИМИЯ МОЗГА
К числу самых важных нейромедиаторов мозга относятся ацетилхолин, норадреналин, серотонин, дофамин, глутамат, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), эндорфины и энкефалины. Помимо этих хорошо известных веществ, в мозге, вероятно, функционирует большое количество других, пока не изученных. Некоторые нейромедиаторы действуют только в определенных областях мозга. Так, эндорфины и энкефалины обнаружены лишь в путях, проводящих болевые импульсы. Другие медиаторы, такие, как глутамат или ГАМК, более широко распространены.
Действие нейромедиаторов
Как уже отмечалось, нейромедиаторы, воздействуя на постсинаптическую мембрану, изменяют ее проводимость для ионов. Часто это происходит через активацию в постсинаптическом нейроне системы второго «посредника», например циклического аденозинмонофосфата (цАМФ). Действие нейромедиаторов может видоизменяться под влиянием другого класса нейрохимических веществ – пептидных нейромодуляторов. Высвобождаемые пресинаптической мембраной одновременно с медиатором, они обладают способностью усиливать или иным образом изменять эффект медиаторов на постсинаптическую мембрану.
Важное значение имеет недавно открытая эндорфин-энкефалиновая система. Энкефалины и эндорфины – небольшие пептиды, которые тормозят проведение болевых импульсов, связываясь с рецепторами в ЦНС, в том числе в высших зонах коры. Это семейство нейромедиаторов подавляет субъективное восприятие боли.
Психоактивные средства
Вещества, способные специфически связываться с определенными рецепторами в мозгу и вызывать изменение поведения. Выявлено несколько механизмов их действия. Одни влияют на синтез нейромедиаторов, другие – на их накопление и высвобождение из синаптических пузырьков (например, амфетамин вызывает быстрое высвобождение норадреналина). Третий механизм состоит в связывании с рецепторами и имитации действия естественного нейромедиатора, например эффект ЛСД (диэтиламида лизергиновой кислоты) объясняют его способностью связываться с серотониновыми рецепторами. Четвертый тип действия препаратов – блокада рецепторов, т.е. антагонизм с нейромедиаторами. Такие широко используемые антипсихотические средства, как фенотиазины (например, хлорпромазин, или аминазин), блокируют дофаминовые рецепторы и тем самым снижают эффект дофамина на постсинаптические нейроны. Наконец, последний из распространенных механизмов действия – торможение инактивации нейромедиаторов (многие пестициды препятствуют инактивации ацетилхолина).
 Рис.6 Движение нейронов в мозгу
Давно известно, что морфин (очищенный продукт опийного мака) обладает не только выраженным обезболивающим (анальгетическим) действием, но и свойством вызывать эйфорию. Именно поэтому его и используют как наркотик. Действие морфина связано с его способностью связываться с рецепторами эндорфин-энкефалиновой системы человека. Это лишь один из многих примеров того, что химическое вещество иного биологического происхождения (в данном случае растительного) способно влиять на работу мозга животных и человека, взаимодействуя со специфическими нейромедиаторными системами. Другой хорошо известный пример – кураре, получаемое из тропического растения и способное блокировать ацетилхолиновые рецепторы. Индейцы Южной Америки смазывали кураре наконечники стрел, используя его парализующее действие, связанное с блокадой нервно-мышечной передачи.
КВАНТОВЫЕ ЗАКОНЫ МОЗГА
Учитывая наличие в мозгу метастабильных и динамичных квазифотонов различных типов и энергий, можно предполагать их активное участие не только в метаболизме, но и в физике когнитивных функций в рамках законов классической квантовой механики.
То есть получается, что квантовая механика имеет отношение к работе мозга?! Да, такие явления как ионы, несущие единичные заряды, натриевые и калиевые каналы, химия нейромедиаторов; отчасти обусловлены квантово механическими эффектами. Но нет ли таких ключевых процессов в мозге, которые непосредственно определялись бы квантово-механическими эффектами? В действительности, можно указать, по крайней мере, одно место, где чисто квантовые явления имеют принципиальные значения для нервной деятельности, - это сетчатая оболочка глаза. Клетки сетчатки вырабатывают нервный импульс при попадании на неё фотона.
Глаз человека имеет очень хорошую чувствительность, но способны ли мы увидеть один фотон? Ответ - да. Чувствительные клетки сетчатки могут реагировать на одиночные фотоны. Однако нейронный фильтр передаёт мозгу сигнал, который мы можем осознать, только если в течение 100мс получено примерно 5-9 фотонов. Ограничение чувствительности – это не дефект зрения, а необходимая адаптация. Если бы мы видели каждый фотон, то в темноте было бы слишком много визуального шума.
 Рис.7 Сетчатка реагирует на один фотон
ТАЙНА ПАМЯТИ
Выключатель нейронов
Учёные давно знают, что ключевым "устройством", отвечающим за запись новых воспоминаний (при обучении или получении новых впечатлений) в долговременную память, является гиппокамп.
С ним уже не раз проводили различные эксперименты, проясняющие, как гиппокамп перекодирует информацию. И хотя он устроен куда проще, чем весь мозг в целом, даже этот небольшой "узел", нечто вроде "шины данных" в компьютере, всё ещё скрывает в себе массу тайн.
Впервые учёные смогли произвольно выключить и включить строго определённую нейронную "схему" в мозге живого существа (мыши) и проследить эффект от такого переключения. Более того, экспериментаторы сумели уже в гиппокампе выключить и включить определённую его часть
 Рис.8 Гиппокамп мыши
Переключатель исследователи использовали оригинальный. В лаборатории Тонегавы был изобретён новый метод блокирования нейронных связей: "Доксициклин-ингибированное подавление клеточного экзоцитоза" (то есть выделения медиаторов).
Кстати, химический метод воздействия на гиппокамп (только с иным веществом) применяла другая научная группа, которая некогда стёрла воспоминания у крыс.
Оживление воспоминаний
Небольшая часть мозга, гиппокамп, не хранит непосредственно воспоминания, но без её нормальной работы человек не может запомнить никаких новых вещей. Специалисты по биоинженерии приступили к амбициозному проекту — созданию электронного гиппокампа для замены повреждённого.
Гиппокамп занимается перекодировкой информации в краткосрочной памяти человека для её последующей записи в долговременной памяти.
 Рис.9 Схема эксперимента с мозгом крысы
Эта область мозга нередко повреждается при травмах, эпилепсии, различных заболеваниях, типа болезни Альцгеймера, наконец — начинает плохо работать в старости. Нет никаких клинических методов лечения такого недуга. Теодор Бергер (Theodore Berger), директор Центра нейроинженерии (Center for Neural Engineering) университета Южной Калифорнии (University of Southern California) намерен создать микрочип , который, будучи внедрённым в мозг, мог бы выполнять функции гиппокампа.
BLUE BRAIN PROJECT
Проект по компьютерному моделированию неокортекса человека. Начался в июле 2005 года. Над проектом совместно работают компания IBM и Швейцарский Федеральный Технический Институт Лозанны.
Имитационное моделирование
Основной структурной единицей неокортекса (новой коры головного мозга) человека является нейронная колонка. Одна такая колонка содержит порядка 103—104 нейронов, дендриты которых проходят через всю высоту колонки. Неокортекс и каждая его колонка состоит из 6 слоёв. Толщина каждого слоя примерно равна толщине кредитной карточки. Количество слоёв играет существенную роль в мыслительном процессе. Так, например, у собаки 4 слоя новой коры, из-за чего она не обладает способностью достаточно подробно прогнозировать ситуацию и не может вычислить следующее логическое действие.
Проект использует суперкомпьютер Blue Gene для моделирования колонок. В конце 2006 года удалось смоделировать одну колонку неокортекса молодой крысы. При этом использовался один компьютер Blue Gene и было задействовано 8192 процессора для моделирования 10000 нейронов. То есть практически один процессор моделировал один нейрон. Для соединения нейронов было смоделировано порядка 3×107 синапсов.
На текущий момент команда работает над «режимом реального времени», при котором 1 секунда реального времени работы мозга моделируется процессорами за 1 секунду.
Фаза I
26 ноября 2007 года было объявлено о завершении «Фазы I» проекта Blue Brain. Результатами этой фазы являются:
1. Новая модель сеточной структуры, которая автоматически, по запросу, генерирует нейронную сеть по предоставленным биологическим данным.
2. Новый процесс симуляции и саморегуляции, который перед каждым релизом автоматически проводит систематическую проверку и калибровку модели, для более точного соответствия биологической природе.
3. Первая модель колонки неокортекса клеточного уровня, построенная исключительно по биологическим данным.
3D визуализация
В процессе моделирования получается огромный объём данных (сотни гигабайт информации в секунду), которые чрезвычайно тяжело анализировать. Поэтому кроме параллельной обработки исходящих данных был разработан интерфейс 3D визуализации колонки. Меш-объект визуализированной колонки (10000 нейронов) содержит порядка 1 миллиарда треугольников и имеет объём в 100 Гб. Модель колонки, с отображением электрической активности имеет объём порядка 150 Гб. Такой интерфейс позволяет зрительно анализировать информацию электрической активности и выявлять наиболее интересные зоны. Он также позволяет сравнивать результаты, полученные моделированием с опытными результатами, которые получаются путём измерения микроэлектроэнцефалограммы колонки. Калибровка модели за счёт сравнения с реальной биологической колонкой будет проведена в «Фазе II» проекта.
Моделирование сознания
Исследователи не ставят перед собой задачей смоделировать сознание.
Если сознание появляется в результате критической
массы взаимодействий — тогда, это может быть возможно.
Но мы действительно не понимаем, что есть сознание,
поэтому трудно об этом говорить.
Оригинальный текст
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Мозг – одна из самых больших загадок человечества. Разум и мышление – это те качества, которые отличают нас от животных. Тайна их появление заключена в мозге каждого из живущих, либо когда-то живших людей. Разгадка находится так близко и одновременно так далеко. Но теперь у человека появился новое орудие исследования. Мы перешли на новый - нано уровень. Теперь можно ожидать, что разгадка тайн человеческого мозга не за горами.
Литература
1. Проект Blue Brain // wikipedia.org // http://ru.wikipedia.org/wiki/Blue_Brain_Project
2. IBM: компьютеры станут умнее человека к 2019 году // CNews.ru // http://banana.by/index.php?newsid=158137
3. Физиология человека /под ред. Г. И Косицкого М. : Медицина 1985 г.
4. Строение головного мозга // http://www.it-med.ru/library/g/brain.htm |
| Категория: Рефераты (курсы КП, ПК, ИТ и Сети) | Добавил: Loonatic (25.05.2011)
| Автор: Сазонов Евгений
|
| Просмотров: 5535
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
