В. В. Цыганов, В. В. Гнездицкий
Скачать 131.65 Kb.
|
ISBN 978-5-7262-1773-4 НЕЙРОИНФОРМАТИКА-2013. Часть 1 В.В. ЦЫГАНОВ, В.В. ГНЕЗДИЦКИЙ Институт проблем управления РАН, Научный центр неврологии РАМН, Москва bbc@ipu.rssi.ru, gnezdvv@mail.ru НЕЙРОМЕДИАТОРНЫЕ МЕХАНИЗМЫ САМООРГАНИЗАЦИИ ГОЛОВНОГО МОЗГА Построена и исследована стохастическая динамическая модель самоорганизации нейронных ядер и центров головного мозга под влиянием нейромедиаторов, обеспечивающей нейропластичность мозга. Найдены необходимые и достаточные условия существования гармоничного интуитивного нейромедиаторного механизма, ориентированного на развитие нейронных ядер и центров мозга и видов деятельности, обеспечивающих получение ею положительных эмоций. Ключевые слова: головной мозг, нейропластичность, самоорганизация, нейрон, ядро, нервный центр, нейромедиатор Введение Новое направление неврологии – наука о нейропластичности – исследует способности головного мозга (ГМ) к самоорганизации [1]. Интерес к нему усиливают многочисленные примеры благотворных изменений структуры и функций ГМ в результате стимулирования его самоорганизации [1-4]. Теоретическая концепция самоорганизации ГМ получила наибольшее развитие в представлениях о модульной (ансамблевой) его структуре [5,6]. Модули (например, ядра и центры) ГМ – это структурно-функциональные блоки нейронов, воспринимающих и перерабатывающих идентичную афферентную информацию. Психонейрофизиологические механизмы управления развитием, основанные на самоорганизации модулей ГМ, моделировались в работах [7-12]. В частности, в работе [10] исследовались вероятностные динамические модели самоорганизации нейронных сетей, приводящей к формированию нейронных ансамблей. В качестве базовых элементов рассматривались нейронные сети и их комплекс. Были найдены необходимые и достаточные условия эволюции комплекса, включающего две нейронные сети. Рассмотрены принципы их интеграции и координации в ГМ. Необходимо учитывать, что самоорганизация ГМ является следствием как сознательной, так бессознательной психической деятельности. Физиологически самоорганизации ГМ способствуют бессознательно выделяемые организмом гормоны-нейромедиаторы, повышающие проводимость нейронных сетей и облегчающие миграцию потоков нервной энергии. Рассмотрим модель учета влияния нейромедиаторов на психонейрофизиологические механизмы функционирования ГМ. Гармоничные интуитивные нейромедиаторные механизмы Рассматриваемый ниже психонейрофизиологический механизм самоорганизации ГМ базируется на иерархической модели психики личности «подсознание-сознание-объект управления» [12] и иллюстрируется рис. 1. На верхнем уровне находится орган управления бессознательной деятельностью личности. Будем называть его Сверх-центром (кратко – СЦ, см. рис. 1). Он влияет на работу общесистемного органа гормонального регулирования (кратко – ОГР), воздействующего на ГМ с помощью нейромедиаторов. На втором уровне находится нервное ядро, обеспечивающее сознательную деятельность дальновидной личности с помощью N элементов третьего уровня – центров ГМ (ЦГМ). Орган управления сознательной деятельностью будем называть Центром. На нижнем уровне находятся объекты, управляемые ЦГМ, входящими в состав ядра. Для исследования эволюции иерархической психонейрофизиологической системы, показанной на рис. 1, воспользуемся введенными в работах [7-12] понятиями нейропотенциалов и нейропотоков. В процессе сознательной самоорганизации, управляющий орган ядра (Центр) направляет получаемую нейроэнергию в N ЦГМ. Процесс их эволюции опишем системой рекуррентных уравнений, связывающих величины их нейропотенциалов с нейропотоками: qit+1= Сiqit + Biуit , qi0=  , ί= , где qit и yit – соответственно нейропотенциал и нейропотоки, полученные i-м ЦГМ в периоде t, yit 0, Сi 0, Bi 0, 0, t – номер периода, t = 0,1,…Нейроэнергия zit, выделяемая i-м ЦГМ, определяется его нейропотенциалом: zit = Аiqit, Аi 0, i = . Часть нейроэнергии i-го ЦГМ уходит в ГМ по нейронным сетям и расходуется на эмоции, физическую разрядку и т.п. Остающаяся в ядре нейроэнергия i-го ЦГМ определяется по формулеit = Dizit, 1 > Di 0, i = .Общая нейроэнергия ядра t =  . Развитие ядра путем самоорганизации предполагает, что эта нейроэнергия направляется в ЦГМ:  . Нейромедиаторный механизм. Процедуры развития ядра путем сознательной самоорганизации характеризуются векторными параметрами A = =(A1, ..., AN), B = (B1, …, BN), C = (C1, …, CN), D = (D1, …, DN). В свою очередь, эти параметры зависят от бессознательно выделяемых нейромедиаторов. Совокупность этих параметров, регулирующих эволюцию ядра и его ЦГМ, будем называть нейромедиаторным механизмом (НМ) и обозначать ={A,B,C,D}. Вектор нейропотоков во все ЦГМ ядра в периоде t, обозначим через  t = (y1t ,…, yNt), принадлежит множеству:  t()= { t= (y1t ,…, yNt) / qi+1 = Сiqi + Biуi , zi = Аiqi ,i = Dizi, =  ,  ,  , qi0=,i= }, t = 1,2,…Число периодов, учитываемых сознанием (и, соответственно, Центром), будем называть дальновидностью и обозначать через T. Дальновидное сознание (Центр), принимая решения, учитывает совокупность векторов нейропотоков на весь период дальновидности T. Поэтому интересующее его состояние ядра yt в периоде t включает показатели выхода в периодах t,…,t + T – 1: yt = [  t,…,t+T-1]. Это состояние принадлежит множеству возможных состояний Yt()= . В процессе самоорганизации Центра в периоде t, вектора нейропотоков  ,  выбираются так, чтобы максимизировать дисконтированную нейроэнергию: ,где – коэффициент дисконтирования. Обозначим решение этой задачи максимизации, как предпочтительное состояние ядра y*t, представляющее собой совокупность векторов нейропотоков y  = [,…, ]. Множество возможных состояний ядра и его целевая функция зависят от параметров A,B,C,D НМ . Поэтому множество предпочтительных состояний ядра y*t также зависит от НМ : Rt()= . Рассмотрим, например, ядро, состоящее из двух ЦГМ [10]. Будем говорить, что ЦГМ 1 привлекательнее ЦГМ 2, если оптимальные нейропотоки в ЦГМ 2 равны нулю:  =0, t= Теорема 1 [10]. ЦГМ 1 привлекательнее ЦГМ 2, если и только если  .Величина Iit характеризует привлекательность ί-го ЦГМ в периоде Т-t и зависит от параметров НМ. Используя теорему 1, можно сравнить привлекательность ЦГМ для оценки перспектив развития. Нейропотенциалы малопривлекательных ЦГМ перетекают к более привлекательным. Условия для этого создают нейромедиаторы («гормоны счастья»), повышающие проводимость нейронных сетей и облегчающие переток нейропотенциалов к ЦГМ, связанным с более привлекательными для личности занятиями. Проходящая под их влиянием самоорганизация приводит к возникновению и росту новых ядер и ЦГМ, аккумулирующих нейроэнергию в ГМ. Положительная обратная связь приводит к положительным эмоциям и закреплению соответствующих навыков. Подсознательная оптимальность и интуитивная подсказка сознанию. Предположим, что целевая функция СЦ (  ,… , ) непрерывна и монотонно возрастает по yit , i= t= . Число периодов (F + 1), в которых СЦ учитывает нейропотоки Центра, назовем дальновидностью СЦ. Множество оптимальных для СЦ состояний ядра X = {х = [ 0, …,  F]}=  (,… ,), где t = (х1t, …, хNt) – прогноз вектора оптимальных нейропотоков в периоде t,  . Это множество Х осознается личностью интуитивно, с помощью подсказки подсознания.Интуитивный нейромедиаторный механизм. Сформулируем задачу синтеза подсознательного механизма регулирования деятельности личности в иерархической психонейрофизиологической системе, показанной на рис. 1. Такой механизм включает интуитивную подсказку Х и гормональную подсказку . Поэтому назовем его интуитивным нейромедиаторным механизмом (ИНМ) и обозначим как Х = [X,] = [Х,A,B,C,D]. Задача синтеза ИНМ Х состоит в определении векторов A,B,C,D, обеспечивающих нейропотоки Центра, предпочтительные для СЦ. Решение этой задачи, при заданном Х, ищется на множестве механизмов GХ = {Х = [Х,A,B,C,D] Ai 0, Bi 0, Ci 0, Di 0, i= }.Формально задача оптимального синтеза ИНМ заключается в построении механизма Х, обеспечивающего максимум целевой функции СЦ (  ,…, ) на множестве выборов Центра: . (1)Рассмотрим анализ и синтез правильных ИНМ, обеспечивающих выбор Центром нейропотоков, оптимальных для СЦ. Если дальновидности СЦ и Центра одинаковы (T = F + 1), то целевая функция СЦ зависит от состояния в периоде t = 0. Соответственно, множество рациональных состояний равно R0(). Правильным ИНМ при T = F + 1 называется механизм XGХ, при котором выбранное Центром состояние y  = =[,…, ] R0() совпадает с каким-либо оптимальным состоянием х = [0,…, F]Х: =t , t=. При этом целевая функция СЦ достигает максимума, что обеспечивает решение задачи оптимального синтеза (1).Гипотеза интуиции. Предположим, что пересечение множеств предпочтительных состояний R1() и оптимальных состояний Х непусто: R1()Х. Будем говорить, что справедлива гипотеза интуиции, если Центр выбирает состояние  из множества оптимальных состояний: R1()Х tХ, =t , t = . Содержательно, гипотеза интуиции означает, что, при равной эффективности состояний, личность сознательно выбирает то из них, которое интуитивно считает предпочтительным.Предположим, что оптимальные (с точки зрения СЦ) нейропотоки положительны для каждого ЦГМ во всех периодах:  . Это означает, что СЦ ориентирован на постоянное развитие всех N ЦГМ и соответствующих видов деятельности. ИНМ , обеспечивающий выполнение условий  , назовем гармоничным. Теорема 2. Если справедлива гипотеза интуиции, то Х= [Х,A,B,C,D] – гармоничный интуитивный нейромедиаторный механизм, если и только если Iit =  . (2) Содержательно, гармоничный ИНМ обеспечивает развитие всех без исключения ЦГМ, входящих в состав ядра. Условие (2) означает, что для всестороннего сознательного развития личности в направлениях деятельности, связанных с определенным ядром, необходимо и достаточно создать равные условия для выделения активирующих нейромедиаторов для всех его ЦГМ. Иными словами, направления деятельности, связанные с разными ЦГМ, должны быть в равной степени эмоционально привлекательны, одинаково нравиться личности. По сути, развитие i-го ЦГМ обусловлено его привлекательностью Iit, зависящей от эмоционального фона, сопровождающего деятельность, которой он управляет. Положительные эмоции связаны с выделением активирующих нейромедиаторов («гормонов счастья»), повышающих проводимость нейронных сетей. В результате активность ЦГМ, вызывающего положительные эмоции, поддерживается нервной энергией, поступающей от других ядер и ЦГМ. Возникает положительная обратная связь: «гормоны счастья» приводят к положительным эмоциям, которые, в свою очередь, вызывают новое выделение этих гормонов и т.д. Психонейрофизиологические механизмы оздоровления Рассмотрим принципиальные особенности психонейрофизиологических механизмов оздоровления, вытекающие из полученных теоретических результатов. В основе механизмов самооздоровления ГМ лежит восстановление функций слабо поврежденных нейронов, а также замены погибших нейронов на новые [2]. Выживание поврежденного нейрона (или группы нейронов), оказывающего негативное воздействие на ГМ, зависит от получения нервной энергии извне, от окружающих нейронов и их сетей. Такой нейрон гибнет тем быстрее, чем слабее его связи с окружением. В этом случае говорят о нейротрофическом факторе: «выживание многих типов нейронов возможно лишь в присутствии одного или нескольких факторов, которые выделяются из клеток, иннервируемых данными нейронами» [3]. Поэтому один из путей самовосстановления ГМ связан с изоляцией (блокированием) поврежденного ЦГМ, оказывающих негативное воздействие на ГМ. Теоретический базис для этого дает теорема 1. Этот процесс можно ускорить путем медикаментозной терапии, или даже методами нейрохирургии. Успешно используется метод лечения расстройств ГМ путем самоорганизации - биологической обратной связи [4]. Суть его состоит в обучении пациента навыку контроля ранее не регулируемого им параметра с помощью сигналов обратной связи, и развитии способности управлять своим психофизическим состоянием. Принцип оздоровительной самоорганизации (ПОС) основан на эндогенном изменении конфигурации нейронной структуры ГМ, направленном на формирование нового ядра, связанного с более привлекательной, эмоционально окрашенной деятельностью. Более привлекательная для личности деятельность создает условия для формирования нового ядра на основе ЦГМ, управляющих этой деятельностью. А приток нервной энергии в эти ЦГМ приводит к ее оттоку от старого ядра и ЦГМ с поврежденными нейронами. Поэтому вместо старого ядра формируется новое, состоящее из здоровых нейронов и их центров отделов. ПОС иллюстрирует рис. 2. Связи старого ядра с поврежденным ЦГМ (кратко – ПЦГМ) и периферийными отделами ГМ показаны точечными линиями, а нового ядра со здоровым ЦГМ (кратко – ЗЦГМ) – сплошными линиями. Чем сильнее положительные эмоции от новой деятельности, тем больше приток нервной энергии в ЗЦГМ, и тем больше отток нейропотоков от ПЦГМ. Тем самым, поврежденные нейроны, центры и ядра ГМ изолируются. Со временем, вследствие действия нейротрофического фактора, нейроны ПЦГМ гибнут, и его связи обрываются (см. зачеркивания на рис. 2).  Рис. 2. Самоорганизация ГМ с изоляцией поврежденного центра Особый интерес представляет применение электронного стимулирования для самоорганизации ГМ при лечении последствий инсульта, болезни Паркинсона и др. [1,4]. Предположим, например, что в результате инсульта перестал действовать определенный орган. При этом после инсульта, афферентные первичные сигналы от бездействующего органа через периферическую и центральную нервную систему не поступают в поврежденное ядро или ЦГМ, ранее управлявшие этим органом, но находящиеся в пораженной зоне головного мозга. Теперь сигналы в поврежденном ядре и ЦГМ не обрабатываются, управляющий сигнал из центральной нервной системы в периферическую не подается, а обратная связь – отсутствует. Суть метода электронного стимулирования для лечения последствий инсульта заключается в способствовании формировании нового центра управления указанным органом, находящемся в непораженной зоне ГМ. В этой зоне возникает новое ядро и ЦГМ, управляющие указанным органом. Формируются также новые пути прохождения афферентных первичных сигналов от органа к новому ядру и ЦГМ, а также управляющих сигналов обратной связи. Такая перестройка ГМ, связанная с восстановлением утраченных функций, приносит положительные эмоции, связанные с выделением нейромедиаторов, активизирующих нейроны ГМ. Это, в свою очередь, способствуя дальнейшему росту нового ядра и ЦГМ. Заметим, что изначально в ГМ существует множество (более 240) ЦГМ, каждый из которых выполняет определенную функцию. Пластичность же мозга предоставляет поистине безграничные возможности формирования новых ядер и ЦГМ. Самоорганизация ГМ позволяет, в частности, создавать все новые ядра и ЦГМ в лобной доле, отвечающей за высшую нервную деятельность. Поэтому нейромедиаторные механизмы самоорганизации головного мозга создают широкие возможности оздоровления и повышения качества жизни. Выводы Разработана и исследована нейрофизиологическая модель эволюции внутренней вероятностной структуры мозга во взаимодействии с психикой личности. Построена и исследована стохастическая динамическая модель самоорганизации нейронных ядер и центров, обеспечивающей нейрофизиологическую пластичность мозга. Условия для бессознательной самоорганизации мозга создают нейромедиаторы («гормоны счастья»), повышающие проводимость нейронных сетей и облегчающие передачу нервной энергии в ядра и центры, связанные с привлекательными для личности занятиями. Проходящая под их влиянием самоорганизация приводит к возникновению и росту нейронных центров и ядер, аккумулирующих нервную энергию, и обеспечивая ее отток от поврежденных элементов ГМ. Изоляция последних и нейротрофический фактор способствуют оздоровлению мозга. Найдены необходимые и достаточные условия существования гармоничного интуитивного нейромедиаторного механизма, ориентированного на развитие нейронных ядер и центров мозга и соответствующих привлекательных видов деятельности. Методы самовосстановления и оздоровления связаны с психонейрофизиологическими механизмами самоорганизации мозга, формирующими нейронные ядра и центры, обеспечивающие деятельность, связанную с привлекательными для личности занятиями, и обеспечивающую регулярное получение ею положительных эмоций. Список литературы
|
Добавить документ в свой блог или на сайт
