Нервная система и память
А теперь перейдем к рассказу о памяти, необходимой каждому отдельному человеку, да и животным в процессе их существования.
Память - это способность сохранять и воспроизводить следы полученных впечатлений - зрительных, слуховых, обонятельных, осязательных, вкусовых, то есть некоей информации. Именно благодаря памяти человек живет не только в настоящем, но и в прошлом, и в будущем. Она дает возможность планировать поведение в соответствии с заложенными инстинктами, опытом, знаниями и окружающей обстановкой, то есть принимать решения.
Необходимо отметить коренное отличие генетической информации от индивидуальной памяти. Он состоит в том, что генетическая информация передается по наследству от организма к организму, а индивидуальная память не наследуется, а только приобретается человеком в течение всей его жизни посредством обучения и воспитания.
Источником возбуждения является окружающий нас мир, его предметы и события, а каждое возбуждение оставляет свой след в нервной системе. Она состоит из особых клеток - нейронов. Каждый нейрон имеет тело и несколько отростков - коротких (дендритов) и одного длинного (аксона) (рис. 10.14). Нейроны в зависимости от формы бывают различных типов - пирамидальные, звездчатые, веретенные. С помощью дендритов и аксонов нейроны образуют общую нейронную сеть, способную воспринимать и передавать информацию, например сигналы из внешнего мира. Передаваемые сообщения-сигналы представляют собой последовательные импульсы, проходящие по аксонам и нейронам центральной нервной системы от одного нейрона к другому.
Рис. 10.14. Схема нейрона
Какова же скорость передачи импульсов? Она различна для разных нервов: в двигательных у человека - она составляет 60-120 метров в секунду, а болевое ощущение проводится со скоростью всего 1-30 м/с. В седалищном нерве лягушки эта скорость составляет 27 м/с. Максимальная скорость передачи импульсов по нерву составляет 500 импульсов в секунду. Если сравнивать эти скорости с передачей сигналов в современном компьютере, близкой к скорости света (300 тыс.
км/с), то она кажется ничтожно малой.
Область контакта между аксоном и нейроном ( размером всего около 200 ангстрем), которому адресуются импульсы, называется синапсом. Число синапсов у различных нейронов различно: от нескольких до нескольких тысяч. Синапс обладает свойством одностороннего проведения импульсов, что обеспечивает определенный порядок распространения возбуждения в нервной системе. Еще одно важнейшее свойство синапса - его пороговый характер. Он не реагирует на одиночные возбуждения, а передает их дальше по цепи нейронов только после их накопления выше определенного порога, причем только после некоторого промежутка времени - синаптической задержки импульса. Сами импульсы имеют биоэлектрическую природу, а пороговый характер синапсов и синаптическая задержка - биохимическую природу. В нервной системе происходят два активных противоположных процесса - возбуждение и торможение, являющиеся основными законами ее действия на всех уровнях. При этом возбуждение создает основной тон, а торможение его корректирует. Между возбуждением и тор можением происходит борьба, исход которой определяет судьбу каждого сообщения - будет оно передано дальше или нет.
Общее число нейронов в мозгу человека составляет гигантскую цифру - десятки миллиардов, а связей между ними - синапсов - еще на два порядка больше. Все вместе они и составляют нейронную сеть.
Нейроны получают раздражения от рецепторов, воспринимающих внешние раздражения - зрительные, слуховые, обонятельные и осязательные. Рецепторы (от лат. receptor - принимающий) - это окончания чувствительных нервных волокон или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутреннего уха и др.). Внешние раздражения они преобразуют в нервное возбуждение, передаваемое в центральную нервную систему.
Контроль же за собственным телом осуществляют проприорецепторы. Они находятся во всех связках и суставах, мышцах и сухожилиях. Благодаря сигналам от них, передаваемых центральной нервной системе, мы можем в любой момент ощущать свое тело и контролировать действие своих двигательных органов.
Мозг, получая информацию от рецепторов, посылает через нервную систему команды мышцам. Они при этом сокращаются, вызывая движение рук, ног, шеи или глаз. Это - прямые связи.
А мышцы с помощью рецепторов сообщают мозгу о своем положении. Это - обратная связь, то есть сообщение о результатах действия.
Реакция организма, осуществляемая по командам центральной нервной системы в ответ на сигналы от рецепторов, это - рефлекс. Вся деятельность организма является комбинацией различных рефлексов. Они делятся на безусловные (врожденные, заложенные генетически) и условные (вырабатываемые в течение жизни). Пример безусловного рефлекса - это реакция на боль, например, от прикосновения к горячему. При этом организм принимает решение автоматически, без участия сознания, с помощью спинного мозга. Сигнал от рецептора поступает, минуя головной мозг, непосредственно в спинной мозг, который немедленно посылает команду мышцам руки или ноги - отдернуть руку или ногу от горячего предмета. Так как сигнал от рецептора к мышцам проходит по короткой цепи, то и выполнение команды происходит с максимально возможной скоростью. Спинной мозг управляет и такими сложными безусловными рефлексами, как дыхание, биение сердца, координация движений при ходьбе, деятельность органов пищеварения. Обо всех этих процессах мы не думаем, в теч ение жизни они совершаются автоматически, помимо нашего сознания. Так, например, меняется пульс при изменении нагрузки - при ходьбе, беге, поднятии тяжестей. Все эти безусловные рефлексы являются формой памяти, заложенной в нас генетически, при рождении.
У животных и человека существует еще инстинкты (от лат. instinctus - побуждение) - сложные безусловные рефлексы (пищевой, оборонительный, половой и др.). Они представляют собой совокупность сложных врожденных реакций (актов поведения) организма, возникающих в ответ на внешние или внутренние раздражения. Инстинкты человека, в отличие от животных, контролируются его сознанием.
В течение жизни мы приобретаем и множество условных рефлексов - еще один вид памяти, представляющий собой реакцию на определенные повторяющиеся события или время.
Так, например, чувство голода может возникать у нас во время работы при приближении обеденного перерыва.
Реакция на боль - безусловный рефлекс, возникшая у ребенка при первом соприкосновении, например, к раскаленной печке, превращается затем в условный рефлекс. Больше ребенок никогда к раскаленной печке не соприкоснется. Таким образом, условный рефлекс - это своеобразная память, которую живой организм приобретает и накапливает в течение своей жизни.
Научившись ходить, плавать, ездить на велосипеде, играть на музыкальных инструментах, человек сохраняет это умение всю свою жизнь.
А как мышечный аппарат выполняет эти навыки? Этим занимается наука биомеханика или физиология активности.
Создателем этой науки является российский ученый, нейро- и психофизиолог Николай Александрович Бернштейн (1896-1966 г.г.).
Подлинное изучение мозга началось с выхода книги И.М. Сеченова "Рефлексы головного мозга". А затем И.П. Павлов ввел понятие условного рефлекса. Н.А. Бернштейн разработал теорию активности мозга. Подобно тому, как физика А. Эйнштейна вместила в себя как частный случай физику И. Ньютона, так теория активности Н.А. Бернштейна включает в себя в качестве составной части учение об условных рефлексах И.П. Павлова, хотя и во многом спорит с ним.
Рис. 10.15. Н.А. Бернштейн
Биомеханика (от био... и механика), изучает механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происхождение в них механического явления (при движениях, дыхании и т. д.). Ее еще называют "наукой о рычагах человеческого тела". Н.А. Бернштейну удалось установить, что в сложнейшем "концерте" управления множеством мышц при выполнении самых различных действий, например, игры на рояле, участвуют все уровни головного мозга.
Биомеханика имеет важное значение при изучении трудовой, музыкальной, спортивной деятельности. Она помогает строить роботы, копирующие движения человека и животных.
Н.А. Бернштейн первым в мировой науке понял, что изучение движений является своеобразным ключом, способом познания закономерностей работы мозга.
До Бернштейна изучали движения человека только с целью их описать, а Николай Александрович изучал движения, чтобы понять, как работает мозг при управлении ими. При этом им были открыты такие фундаментальные явления в управлении, как сенсорные коррекции, более известные теперь в кибернетике как "обратные связи" (они описаны Бернштейном еще в 1928 г., то есть почти за 20 лет до того, как это сделал создатель кибернетики Норберт Винер), принцип иерархического, уровневого управления и многое другое.
Н.А. Бернштейн считал себя учеником И.М. Сеченова, который еще в 19-м веке предположил, что все управление движениями человека сводится к непрерывной коррекции хода перемещения звена (например, руки или ноги), осуществляемой центральной нервной системой на основании данных от органов чувств (например, от органов зрения, слуха или осязания).
Николай Александрович первым понял, что нервная система, "подав команду" на начало какого-нибудь движения, никогда не оставляет его без контроля и, в случае необходимости, немедленно корректирует его. Это явление он и назвал "сенсорной коррекцией".
Н.А. Бернштейн критиковал созданную И.П. Павловым теорию рефлекса по схеме нервной дуги, идущей от органов чувств к мозгу, а от него к мышцам и железам. Эта дуга не замыкалась в рефлекторное кольцо, характерное для управляемого процесса - она не содержала обратной связи, то есть не учитывала непрерывного контроля за действием и его результатом.
Подвергал критике Н.А. Бернштейн и теорию И.П. Павлова о второй сигнальной системе - свойственной только человеку и отличающей его от животных. По теории И.П. Павлова эта система условно-рефлекторных связей формируется при воздействии речевых сигналов, т. е. не непосредственного раздражителя, а его словесного обозначения. Николай Александрович отмечал, что животные легко дрессируются с помощью слов так же легко, как и с помощью других сигналов - света, звука, запахов. Он считал, что назывательные элементы речи, из которых у человека образовалась категория имен, не могли нести сигнальной функции и не образуют никакой системы.
В то же время он утверждал, что "слова и речь как отражение внешнего мира в его статике (имена) и динамике действий и взаимодействий с субъектом (глаголы, суждения) действительно образуют систему, доступную и свойственную только человеку". Своей критикой Бернштейн не разрушал учение Павлова, а только уточнял, углублял и продолжал его.
Как возражение Павлову Н.А. Бернштейн писал книгу "История учения о нервном импульсе". Во Всесоюзном институте экспериментальной медицины в 1936 году была запланирована их очная дискуссия. Но Павлов в том же 1936 году умер. Узнав, что его оппонент больше никогда не сможет ему ответить, Николай Александрович отдал в типографию распоряжение рассыпать набор уже готовой книги.
В последующие годы Н.А. Бернштейн создал теорию координации движений, задачей которой считал "преодоление избыточных степеней свободы движущегося органа, иными словами - превращение его в управляемую систему. Короче, координация есть организация управляемости двигательного аппарата. В основном определении с намерением говорится не о закреплении, притормаживании и т.п. избыточных степеней свободы, а об их преодолении".
Дело в том, что кости в руках и ногах человека скреплены между собой суставами, имеющими не менее двух, а плечевой даже трех осей вращения. Поэтому кисть руки имеет минимум 7 степеней подвижности, то есть возможность перемещаться по 7 независимым траекториям. И это только одна кисть, а у человека их две, а на каждой из них по 5 подвижных пальцев, состоящих из трех фаланг. Всего звенья тела человека, учитывая подвижность корпуса, обладают объемом движений, выражающимся трехзначным числом. Но это только возможности двигательного аппарата. А как человек осуществляет движения в каждом конкретном случае, когда нужно использовать только небольшую часть этих возможностей? Н.А. Бернштейн считал координацию организацией управляемости двигательного аппарата, заключающейся в преодолении избыточных степеней свободы.
И.П. Павлов и его сторонники считали, что жизнь живых существ представляет собой непрерывные ответные реакции на информацию, поступающую из непрерывно меняющегося мира.
По их мнению, эта информация воздействует на органы чувств и пробуждает образованные ранее многочисленные временные связи (условные рефлексы), которые и определяют поступки и действия животных и человека. Это объясняло далеко не все проявления работы мозга. Сам Павлов это понимал. Он говорил, что когда обезьяна строит вышку, чтобы достать плод, то это условным рефлексом назвать нельзя.
Н.А. Бернштейн считал, что закономерности движений человека объяснить только одними условными рефлексами, как это вытекало из теории И.П. Павлова, нельзя. Заученных, привычных движений очень много, но неизвестных человеку движений значительно больше. А как быть при освоении новых движений, например, при обучении езде на велосипеде, плаванию или игре на рояле? При этом известно, что человек, научившись в детстве или в юности ездить на велосипеде, плавать или играть на музыкальном инструменте, сохраняет эти навыки всю последующую жизнь. Или чтение "с листа", когда музыкант, глядя в ноты, без всякой подготовки играет записанное в них незнакомое музыкальное произведение. Не менее сложна игра "по слуху", когда человек играет на рояле или на гитаре услышанную им мелодию, не зная ее нотной записи. Пианист - виртуоз играет на память сложнейшие музыкальные пьесы. При этом его пальцы движутся как бы сами собой. Стоит ему задуматься во время игры о последовательности их движений, как он может сби
ться. Такова механическая память движений.
Идеи Бернштейна развивали одну из догадок И.М. Сеченова о том, что мозг активен. Мозг не пассивно воспринимает информацию из окружающего мира и только отвечает на нее действием, а сам активно воздействует на мир. При этом он непрерывно создает прогнозы будущего, основанные на вычислении вероятности. Это будущее существует в мозгу в виде модели. Бернштейн понял, что мозгу заранее известна цель любого действия. Эта цель служит причиной для начала действия и может изменяться в самом процессе этого действия, совершаемого по принципу обратной связи - с постоянным сообщением "с мест" о достигнутом результате действия и непрерывной коррекцией движения.
В этом состоит теория активности (биология активности), созданная Н.А. Бернштейном: человек отличается от всего животного мира лишь тем, что у него принцип активности, боевой самоорганизации стал осознанным и формируется в членораздельной речи и языке.
Н.А. Бернштейн создал уровневую теорию управления двигательными навыками. Она заключается в том, что в зависимости от механической сложности и психологической важности движения управление ими осуществляется определенными участками головного мозга. Смысл такого уровневого управления движениями несколькими иерархически соподчиненными кольцами состоит в том, что каждое из этих колец регулирует только часть структуры движения, подчиняясь при этом более высоким кольцам, и так до уровня, управляющего смысловой частью движения. Эти кольца - объединения нервных клеток - нейронов мозга, управляющих движением, распределяют между собой роли по иерархии умения, целой лестнице подчиненности и распределения обязанностей. Часть нейронов только намечает общие пути достижения цели движения и включает крупные подразделения мышц, а за детали исполнения отвечают следующие кольца - группы нейронов и т.д.
На основе достижений биомеханики ученые НАСА -космического агенства США - разработали устройство и программное обеспечение, которое позволяет распознавать слова еще до того, как человек их произнес. Для этого на его горле, по обеим сторонам кадыка ("адамова яблока") закрепляют датчики, которые улавливают нервные импульсы в гортани и ротовой полости еще до того, как слова произнесены. Ведь именно с помощью мышц во рту, горле, на языке и голосовых связках формируются произносимые человеком звуки. Сигналы в нервах этих мышц от мозга появляются еще до того, как слова произнесены вслух. Считывание этих сигналов равносильно чтению мыслей на расстоянии. Эти исследования находятся только в начале пути. Пока удается распознать несколько простых слов (например: налево, направо, иди) и цифры от 0 до 9. В 92% случаев программа узнала то, что испытуемый подумал, но не произнес.
Однако ученые планируют возможность обходиться без клавиатуры при работе на компьютере, возможность людей безмолвно переговарива ться между собой (например, осуществлять общение глухонемых между собой без жестикуляции). Начинает сбываться давняя мечта - узнать, о чем думает человек!
И еще один важнейший научный подвиг совершил Н.А. Бернштейн, на этот раз в только еще рождавшейся космической медицине. В начале 60-х годов готовился первый полет человека в космос. У медиков были серьезные опасения, что космонавт в невесомости потеряет координацию движений и затем не сумеет ее восстановить. За советом обратились к Николаю Александровичу. Он рассуждал так. В космосе гравитация исчезает. И он предложил испытать изменение координации у будущих космонавтов при повышенной гравитации - на центрифуге. Опыты по его методике проводились с В. Быковским, В. Комаровым, Б. Волыновым. Они показали, что координация движения человека сначала нарушается, но постепенно восстанавливается. Первый космический полет Юрия Гагарина блестяще подтвердил этот прогноз. После полета А. Николаева и П. Поповича Н.А. Бернштейн выступил по радио с прогнозом биологического состояния человека в космическом пространстве и опубликовал обзор "Наука штурмует космос".
А теперь поговорим о памяти, связанной с высшей нервной деятельностью человека. Она существует двух родов: кратковременная (или оперативная) и долговременная.
Оперативная память играет вспомогательную роль и используется, например, для арифметических расчетов. При умножении чисел она дает возможность запоминать промежуточные результаты ("два пишем, четыре в уме"). Но после выполнения всей операции эти промежуточные результаты становятся ненужными и только "засоряют" память. Поэтому они очень скоро забываются. Глубину кратковременной памяти психологи измеряют количеством цифр или слогов, которые человек может запомнить с первого раза. При этом предлагают ему запомнить их в полном беспорядке, без какого-то смысла. Оказалось, что емкость оперативной памяти составляет всего 7-8 слогов, но для каждого отдельного человека эта емкость постоянна.При изучении оперативной "механической" памяти было замечено, что лучше всего запоминаются первые и последние цифра или слог. Предполагают, что средние слоги оказывают "торможение" со стороны соседних и поэтому труднее запоминаются. Из этого правила есть исключение - у профессиональных
ьІ "счетчиков", обладающих специальными приемами запоминания и быстрого счета и использующих их в профессиональных целях в качестве своеобразного аттракциона.
