4.2. Кодирование информации в нервной системе

Работа анализаторов (сенсорных систем) обеспечивает прием информации (обнаружение сигнала), ее кодирование и декодирование (распознавание информации). Следовательно, психофизиология должна ответить на вопросы:

Какими средствами обеспечивается обнаружение сигнала?

Как происходит кодирование информации о раздражителе?

Как происходит декодирование (расшифровка) информации мозгом?

Задачу обнаружения воздействия и определения его модальности решают рецепторы и вспомогательные структуры органов чувств. Чувствительность рецептора характеризуется величиной порога, которая очень подвижна, потому что зависит от функционального состояния рецепторов, вспомогательных структур и чувствительных нервов, а также многих других причин.

Важной проблемой восприятия является проблема кодирования. Каким образом нервные импульсы, идущие от специализированных рецепторов, передают информацию разных видов? Ведь сами нервы модально неспецифичны, а импульсы имеют постоянные характеристики (работают по принципу «все или ничего»).

Принцип «меченой линии». Первой попыткой ответить на этот вопрос было мнение о том, что мозг узнает о типе стимула по тому, в какой конечный пункт приходит импульс (возникает как бы «меченая линия»). Но как мозг различает разные качества каждого стимула в пределах одной модальности (громкий и тихий звук; синий и красный цвет), если импульс приходит в один участок коры? Значит, импульсная активность нейронов должна быть организована в коды.

Коды как средство передачи информации. Коды – особые формы организации импульсной активности, которые несут информацию о качественных и количественных характеристиках действующего стимула.

В сенсорных системах наиболее распространена передача информации с помощью частоты разрядов нейронов, плотности импульсного потока, интервалов между импульсами, особенностей организации импульсов в пачки (периодичность пачек, длительность, число импульсов в пачке).

4.3. Нейронные модели восприятия (декодирование)

Как работают нейронные механизмы (один или группа нейронов), осуществляющие сенсорный анализ и построение сенсорной модели внешней среды? Наиболее разработанной теорией функционирования этих механизмов является детекторная концепция.

Промежуточные уровни сенсорной системы и кора состоят из нейронов-детекторов. Нейрон-детектор – высокоспециализированная нервная клетка, способная избирательно реагировать на тот или иной признак сенсорного сигнала. Она выделяет в сложном раздражителе отдельные признаки, так как обладает избирательной чувствительностью по отношению к этим сенсорным параметрам (рис. 21). Так глаз лягушки содержит детекторы движения, обеспечивающие ей видение только движущихся объектов.

Нейроны-детекторы были обнаружены при изучении структуры сенсорной коры. В 60-е годы ΧΧ века американский ученый Вернон Б. Маунткасл изучал реакцию корковых клеток на сенсорные стимулы при медленном продвижении тонких электродов сквозь толщу коры. Он установил, что структурной единицей сенсорной коры является вертикальная колонка, хотя вначале существовало предположение, что главное взаимодействие в коре осуществляется по горизонтальным плоскостям. Оказалось, что вертикальные колонки нейронов более и менее сходного типа распространены по всей коре больших полушарий, хотя размеры и плотность клеток в них варьируются. Результаты работы одной колонки затем передаются другой колонке для дальнейшей обработки информации.

Установлено, что любая корковая колонка содержит примерно одинаковое число клеток (порядка 100), будь то мозг крысы, кошки, обезьяны или даже человека. Большие способности отдельных особей конкретного вида обусловлены большим числом колонок и нервных волокон, связывающих их между собой внутри отдельных корковых зон.

Во время этих экспериментов были обнаружены клетки-детекторы. Помог это выяснить случай: на стекле проектора, посылавшего поток света на сетчатку, оказалась трещина. На это быстро среагировали те колонки 17 поля, которые в предыдущих экспериментах не реагировали на световой сигнал.

В настоящее время обнаружено большое количество видов нейронов-детекторов. Есть клетки, реагирующие на ориентацию (угол поворота) стимула; на движение стимула (его направление и скорость). Эти нейроны-детекторы могут быть простыми, сложными и сверхсложными. Нейроны разного типа расположены в разных слоях коры и различаются по месту в цепи последовательной обработки сигнала.

Обнаружены нейроны-детекторы цвета, особо чувствительные к синему, зеленому и красному; детекторы человеческого лица или его частей. Есть нейроны-детекторы, реагирующие на стимулы, похожие на те, что встречаются в жизни (движущуюся тень от руки, цикличные движения, напоминающие взмахи крыльев, приближающийся и удаляющийся объект).

Предполагается, что существуют специализированные нейроны с возрастающей способностью к обобщению различных признаков, а также полимодальные нейроны, которые реагируют одновременно на стимулы разных сенсорных модальностей, например зрительно-слуховые.

В слуховом анализаторе обнаружены детекторы положения источника звука в пространстве, направления его движения. В кожно-мышечном анализаторе обнаружены детекторы движения стимула по коже, величины суставного угла.

Многие ученые рассматривают принцип нейронного детектирования как универсальный принцип строения и функционирования всех сенсорных систем.

Как нейроны-детекторы создают целостный синтетический образ (гештальт)?

Совокупная активность некоторого числа нейронов-детекторов, образующих ансамбль, дает «вектор возбуждения», т.е. направление синтеза полученной информации в целостный образ. По этому вектору организуется нейронная сеть типа пирамиды. Ее вершиной является «гностическая единица» – нейрон, отвечающий за синтез воспринимаемого целостного образа. Считается, что нейроны-«гностические единицы» являются продуктами обучения.

Обобщающая модель сенсорной системы:

прием информации с помощью рецепторов;

кодирование потока возбуждения на выходе рецептора;

выделение отдельных признаков стимула при первичном анализе с помощью нейронов-детекторов на промежуточных этапах обработки информации;

организация целостного образа с помощью «гностического нейрона» в сенсорных зонах коры;

возникновение гипотезы о названии действующего стимула («Что это может быть?»);

извлечение из памяти сведений об объекте и сопоставление их с информацией из сенсорной системы;

принятие решения о подтверждении/неподтверждении гипотезы об объекте;

проверка тех признаков объекта, которые подтверждают гипотезу.

При этом в коре больших полушарий активируется «нейронный ансамбль», каждый член которого может принадлежать и другим ансамблям. Клетки одного ансамбля (детекторы, гностические нейроны, командные, мнемические, семантические) не сосредоточены в одной корковой зоне, а разбросаны по разным зонам.