5. Кодирование информации
Краткое описание:
Кодирование информации в нервной системе, виды кодирования. Цель кодирования: перевести внешние характеристики раздражения во внутренние коды нервной системы, с которыми она может работать.
Кодирование информации в нервной системе
Кодирование информации — это одна из важнейших теоретических тем в физиологии, которую необходимо знать для понимания реальной работы нервной системы.
Определение
Кодирование — это перевод характеристик внешнего раздражения во внутренние нервные коды, доступные для обработки и анализа нервной системой, т.е. в нервные импульсы и другиме материальные носители информации в нервной системе.
Кодирование - необходимый этап Восприятия.
Цель кодирования:
Перевести внешние характеристики раздражения во внутренние коды нервной системы, с которыми она может работать.
Для этого надо отразить в характеристиках потока возбуждения важные для организма характеристики раздражения.
Проблема кодирования:
Нервный импульс имеет стандартную, всегда одинаковую, амплитуду потенциала действия: он не может быть ни больше, ни меньше по силе. Невозможно передать по нервному волокну, например, половинку импульса или четверть импульса. Как же он тогда передаст информацию о разной силе раздражителя? Проблема решается с помощью частотного или пространственного кода.
Виды кодирования
Основных видов кодирования два: частотное и пространственное. Иногда их объединяют и получается частотно-пространственное кодирование.
Частотное кодирование информации
Частотное кодирование: чем сильнее раздражитель, тем чаще будут идти порождаемые им импульсы.
Пример потоков нервных импульсов:
Слабый раздражитель: | _ | |_ | _ | _ |
Сильный раздражитель: | | | | || | ||| | |
Заметили разницу? Сильный раздражитель можно отличить от слабого по тому, что импульсы от рецептора при сильном раздражении идут чаще, чем при слабом раздражении. Это и называется частотным кодированием информации в нервной системе.
Рецептор преобразует силу раздражителя в потоки импульсов, отличающиеся по частоте в зависимости от силы раздражения – это и называется частотный код.
Пространственное кодирование информации
Пространственное кодирование заключается в том, что на определенные характеристики раздражения реагирую не все, а только определенные рецепторы. Возбуждение доставляется адресно в строго определенную нервную структуру для анализа.
Процесс кодирования
Определенные параметры раздражителя, которые умеет снимать рецептор, он превращает в пропорциональное локальное электрохимическое возбуждение (рецепторный потенциал), а затем - в поток нервных импульсов определенной частоты и пространственной организации.
Таким образом, параметры раздражителя должны передаваться параметрами электрохимической импульсации, идущей от рецепторов.
Закономерности кодирования (виды кодов)
Соответствие по частоте: частота импульсов, порождаемых рецепторами, пропорциональна силе раздражителя. Чем больше сила раздражителя, тем больше частота импульсов, идущих от рецепторов. Образно можно сказать так: "Сила - в частоте!" По крайней мере, именно так считает наша нервная система.
Соответствие номеру канала: определенному рецептору соответствует определенный адрес в сенсорной проекционной зоне коры больших полушарий головного мозга.
Топическое соответствие: взаиморасположение частей раздражителя соответствует взаиморасположению нейронов, из которых строится его нервная модель. Например, соответствуют друг другу: участок поля зрения – участок сетчатки с рецепторами – участок в релейной структуре (низшем нервном центре) – участок в зрительной проекционной зоне коры. Таким образом, каждый участок проекционной зоны имеет свое рецептивное поле, отличающееся от других участков.
Соответствие по количеству: чем сильнее раздражитель, тем больше число возбуждающихся рецепторов.
Соответствие по длительности: чем сильнее раздражитель, тем дольше продолжается импульсация рецептора.
Соответствие по латентному периоду импульсации: сильный раздражитель уменьшает латентный период.
Детекция: нейрон-детектор возбуждается при раздражении своего рецептивного поля определенной конфигурации и не реагирует на отличающиеся рецептивного поля, т.е. на поля другой конфигурации.
Соответствие по паттерну (узору импульсов): характеристики раздражителя отражаются в узоре импульсации.
Материальные носители информации в нервной системе
Описаны материальные носители информации в нервной системе и реальные способы работы нервной системы с информацией вместо нечёткого выражения "обработка информации".
Понятие о материальных носителях информации в нервной системе - это очень важная тема, необходимая для понимания самой сущности работы нервной системы, необходимая для понимания того, что же именно скрывается за словами «информация», «кодирование» и «обработка информации в нервной системе».
«Обработка информации в нервной системе» - это довольно туманное выражение, за которым стоит обобщённое абстрактное понятие об информации, в то время как конкретная информация должна иметь свой совершенно конкретный материальный носитель.
Но во многих учебниках авторы как раз любят употреблять это загадочное выражение: "обработка информации"... Жаль, что оно почти ни о чём не говорит студентам.
Поэтому я решил дать здесь краткий, но очень важный материал о реальных носителях информации в нервной системе.
И первое, с чего надо начать, говоря о работе нервной системы и её структур, - это перейти от понятия "информация" к более конкретному понятию "возбуждение".
С точки зрения физиологии при описании работы нервной системы следует везде, где только это возможно, заменять абстрактный термин "информация" на термин, характеризующий вполне материальный физиологический процесс: "нервное возбуждение". Описание физиологических механизмов психических процессов - это, как правило, описание пути движения нервного возбуждения по нервным структурам. Например, именно таким способом описываются механизмы рефлексов через работу их рефлекторных дуг (Рефлексы ).
Однако популярное в последнее время высказывание о том, что "мысль материальна" - в корне не верно! Мысль - идеальна, это один из вариантов существования информации. Но вот носители мысли - безусловно, материальны! Это нервные структуры и нервные процессы.
Материальные носители информации в нервной системе:
Локальные электрические потенциалы: ВПСП, ТПСП и РП (рецепторный потенциал), а также следовые потенциалы.
Нервные импульсы.
Выбросы нейротрансмиттеров (медиаторов и модуляторов).
Мембранные структуры нервных клеток (молекулярные рецепторы, ионные каналы).
Внутренние структуры цитоплазмы и ядра нервных клеток: ДНК и РНК (нуклеиновые кислоты) и белки.
«Обработка информации» в нервной системе - это частичное преобразование (трансформация) содержания информации, смена материальных носителей и переход информации из одной формы в другую, с одного носителя на другой, размножение (копирование и тиражирование) информации, фиксация и хранение информации.
Сохранять информацию можно только на одном из таких носителей, никаких прочих "ячеек памяти" или "ячеек хранения информации" в нервной системе не обнаружено.
Одним вариантом сохранения информации в нервной системе будет постоянное «перетекание» информации с одного носителя на другой, когда она будет сохраняться лишь в динамической подвижной форме. Сохранения информации в этом случае обеспечивается непрерывной циркуляцией возбуждения. В случае остановки этого процесса информация будет потеряна безвозвратно. Собственно, и вся жизнь на Земле устроена точно так же. В случае остановки биохимических процессов в организме - неизбежно наступает смерть.
Другим вариантом сохранения информации будет изменение структуры самого носителя информации, существующее более длительно и статично. Например, структуры мембраны могут измениться на короткий или длительный срок, или внутриклеточные структуры, включая ядерные, могут измениться, что приведёт к изменению свойств клетки. Это и будет сохранением информации.
Такое изменение клеточных структур под влиянием полученной информации называется пластичностью, и оно лежит в основе важнейших психических процессов.
Пластичность нервных клеток лежит в основе следующих явлений:
Память.
Научение.
Условный рефлекс.
Доминанта.
Память, научение, условные рефлексы и доминанта – это пластические перестройки синапсов.
Информация сохраняется (фиксируется, запоминается) в изменённых нейронных связях, а не в каком-то особом "хранилище информации".
Этапы обработки информации (транформации возбуждения)
Ввод информации в нервную систему осуществляется с помощью раздражения рецепторов. Итак, первый этап - это раздражение.
Рецепторы производят трансдукцию – преобразование (транформацию) раздражения в нервное возбуждение. Трансдукция — это первая трансформация информации в нервной системе, первая её обработка. Заметьте, что часть информации при этом неизбежно теряется. Этот процесс также можно назвать восприятием, рецепцией, кодированием, т.к. раздражение воспринимается и переводится в форму нервных импульсов, т.е. во внутренний код нервной системы. Подробности смотрите тут: Физиология восприятия, восприятие, кодирование
Возбуждение, порождённое (генерированное) рецепторами, доставляется по афферентным нейронам в низший нервный центр. Это всего лишь проведение возбуждения, без его переработки.
В низшем нервном центре происходит вторая трансформация информации. Возбуждение видоизменяется и разделяется на несколько потоков. Подробности смотрите тут: пути сенсорного возбуждения
Потоки возбуждения, выходящие из низших центров:
а) сенсорно-перцептивный - в вышележащий центр и далее в высший нервный центр коры для создания сенсорного образа и его анализа,
б) модулирующий - в модулирующую (активирующую и тормозящую) систему мозга для изменения активности мозговых структур,
в) эффекторно-рефлекторный - на эффекторы для ответной реакции (рефлекса).
5. В высшем нервном центре происходит третья трансформация информации. Пришедшее в него сенсорное возбуждение преобразуется и разделяется на множество потоков. Формируется перцептивный сенсорный образ раздражителя.
Схема синаптических контактов
Краткое описание:
Схематическое изображение возбуждающего синапса с двумя тормозными синапсакми: пресинаптическим и постсинаптическим.
Рис. 1. Схема синаптических контактов (рис. В.Ф. Сазонова)
1 – передающий нейрон; 2 – воспринимающий нейрон;
3 – тормозный нейрон (пресинаптический);
4 – тормозный нейрон (постсинаптический).
Светлые – отростки возбуждающихся нейронов (1 и 2),
темные – отростки тормозных нейронов (3 и 4).
Постсинаптические (субсинаптические) мембраны черные.
На внутренней стороне пресинаптических мембран видны пузырьки (везикулы) с медиатором.
Контакты нейронов: 1/2 – возбуждающий синапс;
3/1 – тормозный синапс (пресинаптического торможения);
4/2 – тормозный синапс (постсинаптического торможения).
Прямые стрелки показывают направление движения распространяющегося возбуждения, изогнутые – потоки ионов через каналы постсинаптических (субсинаптических) мембран, которые открываются медиаторами.
Источник: Сазонов В.Ф. Понятие и виды торможения в физиологии центральной нервной системы: Учебно-методическое пособие. Ч. 1. Рязань: РГПУ, 2004. 80 с.
Электронная фотография реального синапса, выделяющего нейротрансмиттер в активной зоне
Обратите внимание на утолщённую постсинаптическую мембрану по сравнению с пресинаптической и на пузырьки-везикулы в пресинаптичческом окончании сверху.