Устройство памяти. Воспроизводство и передача информации в организме

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный аграрный университет"

Институт экономики и финансов

РЕФЕРАТ

по дисциплине: "Концепции современного естествознания"

на тему: "Устройство памяти. Воспроизводство и передача информации в организме"

Выполнила:

студентка группы 15

Оспанова С. С.

Проверил: преподаватель КСЕ

Сказалова Н. Н.

Омск 2010

СОДЕРЖАНИЕ

1. Устройство памяти. Воспроизводство и передача информации в организме

2. Физические процессы передачи информационного сигнала в живом организме

3. Физическая основа памяти

4. Человеческий мозг и компьютер

5. Использованная литература

1. УСТРОЙСТВО ПАМЯТИ. ВОСПРОИЗВОДСТВО И ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ В ОРГАНИЗМЕ

Если какую-то из наших способностей можно счесть самой поразительной, я назвала бы память. В ее могуществе, провалах, постоянстве есть что-то откровенно непостижимое, чем в любом из наших даров. Память иногда такая цепкая, услужливая, послушная, а иной раз такая путаная и слабая, а еще в другую пору такая деспотичная, нам не подвластная! Мы, конечно, во всех отношениях чудо, но право же, наша способность вспоминать и забывать кажется мне вовсе непонятной.

Джейн Остин

Природа памяти является одной из самых загадочных и важнейших проблем современной биологии и с ней тесно связаны проблемы деятельности мозга, строения нервной системы, хранения и передачи информации в живом организме, а также проблемы обучения.

Память - самая долговечная из наших способностей, она определяет нашу индивидуальность и заставляет действовать тем или иным способом в большей мере, чем любая другая особенность нашей личности. Для каждого из нас память уникальна. Она позволяет осознавать человеку себя и других людей личностями. Поэтому, потеряв помять, человек утрачивает свое "я" и перестает существовать именно как человек. По существу, наша жизнь есть путь от пережитого прошлого к неизвестному будущему через настоящее. Наше существование в настоящем связано с прошлым, это продолжение прошлого и формируется им благодаря наличию памяти. Как отмечал С. Роуз, "именно память спасает прошлое от забвения, не дает ему стать таким же непостижимым, как будущее". Поэтому память определяется "стрелой времени", придает направленность ходу времени и в этом смысле связана и с физикой, синергетикой, историей, геологией, биологией, даже с развитием человеческого языка и в целом с эволюцией жизни.

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИОННОГО СИГНАЛА В ЖИВОМ ОРГАНИЗМЕ

Рассмотрим немного подробнее нервную систему человека в связи с проблемой памяти. Главная функция нервной системы состоит в переработке и передаче информации от рецепторов органов чувств через центральную нервную систему к органам-исполнителям - эффекторам. Она состоит из нейронов, синапсов и нервов. Синапсы - это соединения между нейронами, а нервы - это пучки отростков многих нейронов, своего рода многожильные кабели, которые осуществляют координацию функций организма и опосредуют его реакцию на различные воздействия. Каждый нейрон имеет тело и отростки - аксоны и дендриты.

Аксон - это длинный отросток, который проводит сигналы от тела нервной клетки, а дендрит - по направлению к нейрону, т.е. аксоны передают выходные сигналы, а дендриты - входные. У каждого нейрона имеется один аксон. Функциональной единицей нервной системы является моносинаптическая рефлекторная дуга - нервная цепь, образованная двумя нейронами. Стимул в виде электрического импульса передается по такой дуге и дает однозначный рефлективный ("автоматический") ответ. Однако одна рефлекторная дуга может взаимодействовать с другой, что приводит к большому разнообразию ответов. Схема такой дуги проста: рецептор - нейрон - эффектор (например, мышца). Вся система работает как дверной звонок: нажимаем на кнопку, и раздается звонок. Однако более реальна другая аналогия - сначала сигнал попадет на пульт (мозг), и там решается вопрос, кому тот сигнал предназначен.

Как же осуществляется образование и прохождение нервного импульса по нейронам и синапсам? Этот процесс обусловлен наличием электрических зарядов на наружных клеточных мембранах, что является всеобщей особенностью живых клеток. Нервный импульс представляет собой волну деполяризации, которая распространяется по аксону от тела клетки к нервному окончанию. В каждой клетке невозбужденной мембраны аксона до того, как до нее дойдет волна деполяризации, имеется потенциал (~ 70 мВ). Такой заряд, создающий мембранный потенциал покоя, обусловлен присутствием во внутри- и внеклеточной жидкости различных заряженных ионов, в частности , , их неравномерным распределением по разным сторонам мембраны и избирательной проницаемостью мембраны. Когда из наружной среды попадают ионы натрия, происходит быстрый (около 1 мкс) скачок мембранного потенциала от -70 до +(20-40) мВ.

Такой скачок называется потенциалом действия. Изменение потенциала от -70 мВ до нуля приводит к полной деполяризации, и затем возникает обратная по знаку поляризация мембраны. Положительные ионы переходят в клетку, и потенциал мембраны становится около +40 мВ в максимуме. Таким образом, поступление в клетку ионов натрия приводит к деполяризации мембраны и возникновению потенциала действия, который и распространяется по аксону в виде волны от тела клетки до ее выходного синапса. Потенциал действия, в свою очередь, служит сигналом для высвобождения в синаптическую щель нейромедиатора, вызывающего реакцию другого нейрона. Когда поступление ионов натрия прекращается, они выводятся наружу и устанавливается первоначальная разность потенциалов. Способность генерировать потенциал действия - уникальное свойство таких возбудимых клеток, как нейроны. Причем это может быть электрическая, химическая и механическая стимуляция, в результате чего свойства мембраны в месте раздражения быстро изменяются.

Нервная система позвоночных состоит из центральной (ЦНС) и периферической (ПНС). В ЦНС происходит переработка сигналов, и она состоит из головного и спинного мозга. ПНС, как следует из ее названия, осуществляет передачу сигналов на периферии, от органов чувств к железам, мышцам и т.д. У животных в основном ПНС.

Нервная система у высших животных развилась постепенно из диффузионной нервной системы, где в определенных участках нейроны стали концентрироваться и в конце концов образовали центральную нервную систему - головной и спинной мозг. Первоначальная структура ЦНС - нервный тяж, идущий вдоль тела. Передняя часть его расширяется, образуя головной мозг (этот процесс называется цефализацией, от греческого "кефалос" - голова), а задняя часть становится спинным мозгом. Важнейшая часть головного мозга - два больших полушария, правое и левое. Среди важнейших функций мозга - его способность к переработке сенсорных данных, способность к формированию общих абстрактных понятий, т.е. категоризация и память.

3. ФИЗИЧЕСКАЯ ОСНОВА ПАМЯТИ

Физической основой памяти и способностью к обучению служат изменения эффективности нейронов и синаптических связей между ними при повторной стимуляции. Однако система памяти человеческого мозга отличается от двоичной системы памяти компьютера: элементы информации извлекаются не с помощью обращения к постоянному адресу их хранения - адрес можно изменять в зависимости от ассоциации идей, которые являются своего рода голограммами информации. В компьютере каждая хранящаяся в его памяти единица информации имеет свой определенный адрес - код, который нужно знать для ее извлечения.

Биологическая память тоже использует адреса, но варьирует их в зависимости от ассоциаций мыслей, меняющихся у разных людей в разное время. Следовательно, изменения в мозгу при получении и переработке информации в процессе обучения или запоминания, "следы памяти", или, как их назвал канадский психолог Д. Хебб, энграммы, носят не локализованный, а распределенный характер. Они - не в отдельных "ячейках памяти", а представлены в виде некоторых состояний системы мозга. Поэтому при повреждениях или разрушениях отдельных участков мозга хранящаяся в памяти информация обычно не утрачивается совсем, хотя и извлечение ее становится менее эффективным.

Таким образом, человеческая память не представима моделью компьютера. Она закодирована в 10 млрд. нервных клеток, образующих наш мозг, и триллионах связей между ними - синапсов. Число нейронов в мозгу любого человека втрое больше, чем число живущих на Земле людей, а если учесть число синапсов (около ), то их больше в 100 тыс. раз, по сравнению с численностью населения во всем мире. Предположив образование одного синапса в секунду, можно посчитать, что потребуется от 3 до 30 млн. лет, чтобы закончить подсчет. Как сказал С. Роуз, "этого вполне достаточно, чтобы хранить воспоминания о всей прошедшей жизни...".

Структурные изменения в нервной системе (рост отростков в нейронах, возникновение новых связей и лавинный характер передачи информации через нейроны) дают возможность обучения и хранения "следов памяти". Изменения в поведении, возникающие в результате опыта, развиваются на основе обучения и запоминания и могут быть закреплены на структурном уровне. Отметим также, что и на этом уровне реализуется принцип оптимальности информации в условиях дефицита энергии путем самоорганизации.

Возвращаясь к процессам образования следов в памяти, можно предположить, что они являются живыми процессами, которые изменяются и наполняются новым содержанием каждый раз, когда мы их оживляем. Эффективность этого процесса возникновения энграмм определяется "усилением" работы синапсов. Схематически это выглядит так: если два нейрона, соединенные синапсом, подвержены одновременной стимуляции, то синапс становится "сильнее" и легче передает сигнал от одного нейрона к другому. Если синапс станет более сильным, стимуляция только одного нейрона вызовет разряд и в другом, между ними установится ассоциативная связь. Такое упрощенное представление, тем не менее, позволяет понять, почему активация каким-то стимулом одного нейрона может вызвать в памяти нечто иное, представленное активностью другого нейрона.

Сейчас установлено, что существуют две формы памяти - лабильная кратковременная память и постоянная долговременная память. Кратковременная - это такая память, в которой следы появляются сразу же, она зависит от электрической активности нейронов мозга, и если активность прерывается, то следы исчезают. Через некоторое время следы могут перейти в долговременную память, отдел, так сказать, длительного хранения. Здесь уже информация не утрачивается после прекращения электрической активности нейронов. Она теперь закреплена в нервных связях и может храниться долго, иногда всю жизнь. "Воспоминания - это информация, закодированная в нейронах" (К. Баулс).

Существует еще деление на эйдетическую (образную), зрелую, словесную, зрительную память о недавнем и давно прошедшем, процессы узнавания и воспоминания. Но оставим это психологам и нейробиологам.

Можно провести разделение памяти еще на две формы, позволяющие различить память человека и животных. Из повседневной жизни нам хорошо известно, что наши домашние животные, собаки и кошки, ведут себя так, как будто имеют память. Собаки узнают своих хозяев и отличают от незнакомых людей. Кошки, научившись открывать дверь, "запоминают" это на всю жизнь и постоянно пользуются своим уменьем. Это - память, связанная с приобретением навыков, условных рефлексов, запоминающихся реакций на окружающую среду и требующих ответного действия, так сказать, память действия, моторная память. Она называется процедурной памятью и проявляется у человека в виде навыков движения (бег, плавание, лыжи, велосипед и т.д.).

Однако человеку присуща и декларативная абстрактная память, память на название, которой нет у животных. Это различие связано с различиями устройств мозга животных и человека. Мозг животных не способен к образованию абстрактных понятий и воссозданию в своей голове идеально отсутствующей ситуации. Имеются, тем не менее, некоторые экспериментальные наблюдения, свидетельствующие о зачатках памяти у животных, похожей на память человека. Так, волк, бегущий по одну сторону забора и желающий схватить зайца, убегающего от него по другую сторону забора, не пытается пролезть в щели забора, а "соображает", что можно поймать зайца, когда забор закончится, и бежит именно к концу забора. Иначе устроен мозг человека, способный к обобщению внешних данных, образованию абстрактных понятий и воссозданию идеальных ситуаций, а не просто прямому восприятию окружающей ситуации. Заметим также, что чем ближе находятся организмы по уровню своего развития, тем полней может быть передача состояний от одного к другому. Именно по этой причине затруднена передача состояний посредством языка между человеком и животными.

С физической же точки зрения возможность передачи состояний через код по нервной системе - это важный фактор, объединяющий компоненты высокоорганизованных систем, и на высших уровнях организации, играет ту же роль, что химическая связь на атомном уровне. Раскрытие механизмов памяти еще далеко не закончено. Можно, например, выделить еще три формы биологической памяти: генетическую, открытие и расшифровку которой осуществила молекулярная биология; обычную, которая является функцией мозга; иммунологическую.

Что касается "обычной" памяти, то она проявляется в топографической схеме связей между нейронами и в динамике нейронной системы. "Освоение" мозгом полученной информации должно сопровождаться изменением электрической активности нейронов, соединенных изменившимися синапсами. Понимание памяти возможно на пути исследования мозга как целой самоорганизующейся системы, в которой постепенно происходят организация порядка из хаоса и обратные переходы от порядка к хаосу. Для этого понимания необходимо объединить в холистическом подходе разные методы познания человеческого организма: морфологию, описывающую изменения в пространстве; биохимию, описывающую состав на молекулярном уровне; физиологию, динамично описывающую изменения во времени.

4. ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ МОЗГ И КОМПЬЮТЕР

Сравнение человеческого мозга с электронным компьютером несостоятельно еще по двум обстоятельствам. Во-первых, мозг по сравнению с детерминированной памятью компьютера не является закрытой системой. Мозг человека, как и его организм в целом, представляет собой открытую систему, сформированную собственной историей и находящуюся в непрерывном взаимодействии с природной и общественной окружающей средой, которая изменяет ее, но и сама система при этом подвергается изменению. Мозг обладает способностью изменять свою структуру, физические, химические и физиологические процессы, свою реакцию в результате приобретения опыта и случайных обстоятельств в процессе развития. Недетерминированность на уровне нейронов и синапсов человеческого мозга по сравнению с компьютером показывает, что понимание работы мозга и разума лежит не в анализе работы отдельных его элементов, реакции которых непредсказуемы по своей природе, а в восприятии их на уровне целого. Сознание, разум, память возникают как свойства мозга в целом, а не как свойства отдельных его компонентов.

Во-вторых, мы уже знаем, что в процессе жизни каждая клетка многократно заменяется, одни гибнут, рождаются новые, рвутся старые связи между ними и устанавливаются новые, причем это происходит миллионы раз. И при этом всеобъемлющем самоорганизующемся процессе, который и составляет существо биологической жизни, память сохраняется. Разве можно представить компьютерную память при постоянной смене человеком деталей компьютера? Человеческая же память, связанная со структурами его мозга и происходящими в нем процессами, сохраняется так же, как сохраняются формы тела, несмотря на непрерывный круговорот его молекулярных компонентов.

В заключение приведем еще один пример отличия компьютерной памяти от человеческой. Компьютер помнит информацию в виде дискретной цифровой последовательности. Человек же запоминает информацию по смыслу. Причем смысл подразумевает динамическое взаимодействие между мозгом человека и информацией. Это процесс, не сводимый к количеству информации. Получается, что мозг человека работает не с информацией в компьютерном понимании этого слова, а со смыслом или значением. А значение - это исторически формируемое понятие, оно находит выражение в процессе взаимодействия человека с природной и социальной средой. Компьютер же просто (и быстро) перебирает всевозможные логические варианты, но не понимает и не оценивает их по смыслу.

5. ИСПОЛЬЗОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Горбачев В.В. Концепции современного естествознания. В 2 ч.: Учебное пособие. - М.: Издательство МГУП, 2000