Что такое нейрофизиологические механизмы высшей нервной деятельности

Нейрофизиологические механизмы внимания

Внимание является одной из важнейших психофизиологических функций, обеспечивающих оптимизацию процессов воспитания и обучения. Внимание повышает уровень активации коры больших полушарий. Признаки непроизвольного внимания обнаруживаются уже в период новорожденности в виде элементарной ориентировочной реакции на экстренное применение раздражителя.

Критическим периодом в формировании непроизвольного внимания является 2-3 месячный возраст – ориентировочная реакция приобретает черты исследовательского характера. В грудном, так же как и в младшем дошкольном возрасте внимание маленького ребенка привлекают в основном эмоциональные раздражители. По мере формирования системы восприятия речи формируется социальная форма внимания, опосредованная речевой инструкцией. Однако вплоть до пятилетнего возраста эта форма внимания легко оттесняется непроизвольным вниманием, возникающим на новые привлекательные раздражители. Существенные изменения корковой активации, лежащей в основе внимания, отмечены в 6-7 –летнем возрасте. Существенно возрастает роль речевой инструкции в формировании произвольного внимания. Качественные сдвиги в формировании нейрофизиологических механизмов внимания отмечены в 9-10 лет. В начале подросткового периода (12-13 лет) нейроэндокринные сдвиги, связанные с началом полового созревания, приводят к изменению корково-подкоркового взаимодействия, ослаблению корковых регулирующих влияний на активационные процессы – ослабляется внимание, нарушаются механизмы произвольной регуляции функции. К концу подросткового периода с завершением полового созревания нейрофизиологические механизмы внимания соответствуют таковым взрослого.

Физиологические механизмы памяти

Важнейшим свойством нервной системы является способность накапливать, хранить и воспроизводить поступающую информацию. Накопление информации происходит в несколько этапов. В соответствии с этапами запоминания принято выделять кратковременную и долговременную память. Если информация, хранящаяся в кратковременной памяти, не передается в долговременную память, то она быстро стирается. В долговременной памяти информация хранится длительно в доступном для извлечения виде. Качественной особенностью памяти человека, отличающей его от памяти животных, является то, что человек способен запоминать не столько все подробности информации, сколько общие положения. Это свойственная человеку словесно-логическая абстрактная память.

Механизмы памяти претерпевают значительные изменения с возрастом. Относительная простота системы памяти в детском возрасте определяет устойчивость, прочность условных рефлексов, выработанных в раннем детстве. По мере структурно-функционального созревания мозга происходит значительное усложнение системы памяти. В младшем школьном возрасте объем памяти достоверно возрастает, а скорость запоминания уменьшается, увеличиваясь затем к подростковому возрасту.

Мотивация и эмоции

Мотивация – активные состояния мозговых структур, побуждающие совершать действия (акты поведения), направленные на удовлетворение своих потребностей. Мотивации создают необходимые предпосылки поведения. Мотивации могут создаваться как биологическими потребностями, так и высшими познавательными потребностями. С мотивациями неразрывно связаны эмоции. Достижение цели и удовлетворение потребности вызывает положительные эмоции. Недостижение целей приводит к отрицательным эмоциям. Одной из важнейших потребностей человека является потребность в информации. Этот источник положительных эмоций неисчерпаем в течение всей жизни человека. Эмоции изменяют состояние всего организма. Роль эмоций особенно велика в детском возрасте, когда доминируют процессы корковой эмоциональной активации. У детей очень велика потребность в новизне. Удовлетворение потребностей в новизне способствует положительным эмоциям, и те, в свою очередь, стимулируют деятельность центральной нервной системы. Созревание высших отделов центральной нервной системы в младшем школьном возрасте расширяет возможность формирования познавательных потребностей и способствует совершенствованию регуляции эмоций. Эмоции детей из-за слабости контроля со стороны высших отделов центральной нервной системы неустойчивы, их внешние проявления несдержанны. С возрастом сдержанность эмоциональных проявлений возрастает.

Нейрофизиологические механизмы сна

Необходимое условие жизнедеятельности человеческого организма – это чередование бодрствования и сна. В состоянии бодрствования человек активно взаимодействует с внешней средой, воспринимает сигналы окружающего мира и отвечает адекватными реакциями. Сон – это состояние, характеризующееся значительным ослаблением связей с внешним миром. Сон играет роль восстановительного процесса. Сон необходим для нормальной умственной деятельности. И.П. Павлов расценивал сон как охранительное торможение, распространившееся в высших отделах нервной системы.

Состояние сна можно разделить на три функциональных вида:

1. Засыпание (дремота).

2. Медленный сон – сон легкий, средней глубины (очень важен для отдыха, длится 80-90 минут) и глубокий, сопровождающийся снижением мышечного тонуса, общего уровня активности, деятельности внутренних органов.

3. Быстрый или парадоксальный сон – появляются сновидения, активизируются вегетативные функции. Эту стадию сна связывают с восстановление мозгового обмена, переработкой информации, закреплением ее в долговременной памяти, стимуляцией нервного роста и развития. Быстрый сон занимает у взрослых 25% общего периода сна, у новорожденных – 65-85%.

Основные понятия

Восприятие – сложный активный процесс, включающий анализ и синтез поступающей информации.

Мотивация – активные состояния мозговых структур, побуждающие совершать действия (акты поведения), направленные на удовлетворение своих потребностей.

Подвижность процессов возбуждения и торможения - скорость, с которой возбуждение может сменяться торможением, и наоборот.

Сон - охранительное торможение, распространившееся в высших отделах нервной системы.

Уравновешенность - соотношение силы процессов возбуждения и торможения.

Тест 3

1. Что не относится к показателям типов высшей нервной деятельности?

A. сила процессов возбуждения и торможения

B. уравновешенность процессов возбуждения и торможения

C. подвижность процессов возбуждения и торможения

D. регулярность процессов возбуждения и торможения

2. Какой тип высшей нервной деятельности характеризуется как

сильный, но неуравновешенный?

3. В каком возрасте появляются первые признаки развития второй

A. в младшем школьном возрасте

B. в возрасте от 1 до 3 лет

C. во второй половине первого года жизни

D. в раннем дошкольном возрасте

4. Дети какого типа характеризуются высокой эмоциональной возбудимостью?

A. сильный, уравновешенный, быстрый

B. сильный, неуравновешенный, безудержный

C. сильный, уравновешенный, медленный

D. слабый с пониженной возбудимостью

5. В каких зонах происходит синтез информации в сенсорные

A. в первичных проекционных зонах

B. во вторичных проекционных зонах

C. в различных корковых зонах

D. в зонах покрытия анализаторов

6. Какой возраст является сензитивным периодом развития зрительного

C. младший школьный

7. В каком возрасте отмечаются качественные изменения,

лежащие в основе нейрофизиологических механизмов внимания?

8. Чем характеризуется младший школьный возраст в аспекте памяти?

A. простотой системы памяти

B. увеличением скорости запоминания

C. ростом объема памяти

D. неустойчивостью условных рефлексов

9. Что способствует совершенствованию регуляции эмоций?

A. доминирование процессов корковой эмоциональной активации

B. удовлетворение потребности в информации

C. наличие потребности в новизне

D. созревание высших отделов центральной нервной системы

10. На какой стадии сна появляются сновидения?

С морфологическим созреванием ЦНС происходит и развитие высшей нервной деятельности (ВНД) ребенка. Наиболее интенсивно эти процессы происходят у младенцев, а также в периоды первой и второй детства. У детей на сам перед развивается первая сигнальная система: органы чувств, анализаторы, нарастает моторика двигательных действий и проч. Постепенно развивается и вторая сигнальная система: совершенствуется речевая функция, появляется способность к абстрактному восприятию действительности, мышления и др..

ННГ человека базируется на способности головного мозга к аналитико-синтетической деятельности. Аналитические процессы дают возможность выделять отдельные раздражения, тогда как синтетическая деятельность объединяет, обобщает раздражение и реализуется ограниченным набором ответных реакций организма и внешних воздействий.

Материальной основой всех нервно-регулирующих процессов является рефлексы, которые делятся на безусловные и условные. Организм рождается с определенным набором безусловных рефлексов, обеспечивающих, прежде всего, поддержание жизнедеятельности в относительно постоянных условиях проживания. Эти рефлексы имеют место как на уровне соматической, так и вегетативной нервных систем, и обеспечивают процессы пищеварения (жевание, сосание, выделение слюны и желудочного сока и т.д.), защиты (кашля, закрывание глаз, избегание боли) половых соотношений, терморегуляции, дыхания , работы сердца и др..

Безусловные рефлексы — это реакция организма на внешнее или внутреннее раздражение, осуществляемая при участии рефлекторной дуги. Условные рефлексы это также ответные реакции организма человека на внешние или внутренние раздражения, но они всегда осуществляются при участии коры больших полушарий головного мозга и реализуются на базе безусловных рефлексов, то есть на базе соответствующих рефлекторных дуг.

Условные рефлексы вырабатываются у человека в процессе жизни и обеспечивают более совершенное приспособление к условиям жизни. Распознавание пищи по запаху, процессы стояния, бега, ходьбы, речи, письма, трудовых действий — все это примеры условных рефлексов. Условные рефлексы, в отличие от безусловных, всегда индивидуальны, могут возникать и исчезать, перерабатываются и др.. Для возникновения условного рефлекса, например, выделение слюны на запах пищи, нужно определенные условия. Во-первых, наличие условного раздражителя (например, запаха пищи), во-вторых — предшествование этого раздражителя минимум как за 1-5 сек. до безусловного фактора, в-третьих — наличие безусловного раздражителя или фактора (например, дальнейшего попадания пищи в ротовую полость с раздражением соответствующих механорецепторов роту, что всегда вызывает безусловное выделение слюны) и, наконец, многократное повторение условного и подкрепляя безусловного раздражения.

Важным качеством условных рефлексов является их способность к торможению, которого выделяют два типа: внешнее (безусловное) и внутреннее (условное).

Внешнее торможение осуществляется на уровне дуги безусловного рефлекса. В свою очередь, этот вид торможения делится на индукционное и на запредельное. В основе индукционного торможения находится явление отрицательной индукции, возникающая при изменении доминанты возбуждения. Новое сильное возбуждение тормозит предыдущий центр возбуждения и, соответственно, тормозит условные рефлексы, которые реализовались через этот центр. Такой вид торможения лежит в основе изменения внимания, деятельности, направлений поиска и т. д.

Второй вид внешнего торможения — запредельное торможение, которое возникает при чрезмерном или длительном времени действия условного раздражителя и имеет защитное значение для нейронов и нервных центров от возможного их перенапряжения и повреждения. Этот вид торможения имеет защитную функцию и проявляется, например, процессами умственного утомления, снижением скорости реакций и т. д.

Внутреннее торможение развивается на уровне временных нейронных связей условного рефлекса. Выделяют четыре вида этого торможения: угасающий, запаздывающий, дифференциальный и условный1 тормоз.

Мозг человека состоит из 10 12

Нервная система – важнейшая регуляторная система нашего организма. Но она не одинока, существуют еще две системы: эндокринная и иммунная. И для того, чтобы управлять нашим телом, эти системы выделяют особые вещества. Нервная система выделяет медиаторы, эндокринная – гормоны, иммунная – цитокины. Эти вещества действуют на различные органы, ткани, создают адаптацию к тем или иным условиям окружающей среды. Кроме того, эти три системы влияют друг на друга.

Эффекты этой системы наиболее точечные, поскольку отростки нервных клеток подходят к различным органам, тканям и очень-очень точно передают информацию на те или иные системы. В этом смысле иммунная и эндокринная системы действуют более примитивно, поскольку цитокины и гормоны попадают в основном в кровь.

Нервная система человека

Нервная система в процессе эволюции появляется самой последней среди трех систем, лишь на уровне многоклеточных. Она в первую очередь нужна была для питания, ухода от опасности, размножения. И вначале она представляла собой сеть, позже появились структуры, состоящие из нервных узлов и нервной трубки, наконец произошел процесс цефализации.

Нервные клетки и нейроглии

Наш мозг сформирован из нервной ткани, а ее ключевой элемент – нейроны. Данные клетки выглядят очень характерно, обычно у них большое число отростков, подразделяющихся на два типа: дендриты и аксоны. Первые – это отростки, воспринимающие информацию. Они обычно образуют большие ответвления для того, чтобы этой информации было побольше. Аксон – отросток, проводящий сигналы к другим клеткам. Между двумя этими видами отростков располагается тело нервной клетки, отвечающее в основном за обработку информации.

Наряду с нейронами в составе нервной ткани присутствуют еще вспомогательные клетки — глиальные. Их в среднем в 7 раз больше, чем нейронов, и они механически защищают нервные клетки, создают взаимную электрическую изоляцию, а также формируют ГЭБ, то есть барьер между кровью и мозгом, который следит за проникновением веществ в нервную ткань.

То, что нейроны не делятся, знают все. Но это не дефект нервной клетки, а ее необходимое свойство. Разделиться нейрону – это то же самое, как если бы вы взяли компьютерный диск и разрезали его пополам. У вас не получится два диска, а останется один, причем сломанный. Поэтому если нервные клетки в какой-то части мозга делятся, то это очень особые зоны и очень особые функции, например, обоняние.

Электричество и мозг

Если потенциал действия возник хотя бы в одной точке мембраны, он дальше разбегается по всей поверхности нервной клетки и достигает окончания аксона, запуская выделение вещества медиатора. Это вещество повлияет на следующие клетки, органы или мышцы. Такое распространение идет достаточно медленно, его скорость составляет 1-10 метров в секунду, максимум – 100-120.

Синапсы и медиаторы

Если происходит возбуждение, мы наблюдаем вход в клетку-мишень ионов натрия, после чего возможно возникновение потенциала действия. Это значит, что какая-то порция информации благополучно миновала синаптическую щель. Передвигаясь вперед, она, возможно, запустит реакцию или попадет в память нейросети. Если наблюдается торможение, в клетку-мишень, как правило, входит хлор или выходит калий, в результате чего клетка-мишень на время становится менее возбудимой.

Строение синапса

Очень важно то, что на каждом нейроне сходятся сотни и тысячи синапсов, сотни и тысячи аксонов, и сигналы от соседних аксонов суммируются. В итоге нейрон оказывается достаточно сложным вычислительным устройством, которое работает одновременно с сотнями и тысячами информационных каналов. А элементарной структурно-функциональной единицей мозга оказывается все-таки синапс. И вычислительные ресурсы нейросети зависят не от количества нейронов, а от того, насколько много синапсов находится в единице объема нервной ткани, допустим, в одном кубическом миллиметре.

Химия психики

Список медиаторов, то есть веществ, посредством которых нервные клетки влияют на другие клетки, весьма обширен. Но в нем есть и главные действующие лица, и второстепенные. Основные медиаторы нашей центральной нервной системы: глутамат и ГАМК. Первый является ключевым возбуждающим медиатором нашего мозга. А ГАМК – ключевой тормозный медиатор, он контролирует информационные потоки, не допускает лишние сигналы. Большинство задач, которые решаются нашим мозгом, требуют постоянного, тонкого баланса между глутаматом и ГАМК. Если этот баланс нарушается, появляются разнообразные проблемы, начиная от СДВГ и бессонницы и заканчивая эпилепсией.

Второстепенные медиаторы нужны для функционирования нашей психоэмоциональной сферы. К примеру, дофамин. С этой молекулой связана масса положительных эмоций. Нарушение функций дофамина приводит к таким патологиям, как паркинсонизм и шизофрения. Препараты, схожие с дофамином, работают как наркотики-психостимуляторы.

Еще один медиатор – серотонин. От него зависит целый ряд тормозных функций. Он контролирует центры негативных эмоций и уровень шума в мозговой коре. Благодаря серотонину мышление человека становится более чутким. С данным медиатором связаны препараты, которые мы относим к антидепрессантам. А еще на функции серотонина воздействуют наркотики, способные вызывать галлюцинации.

Эндорфины – ключевые медиаторы, связанные с контролем боли и опять-таки с центрами положительных эмоций. Поэтому на их основе созданы важнейшие группы анальгетиков, а также такие известные наркотические препараты, как морфин и героин, которые влияют на эндорфиновые синапсы.

Список медиаторов можно продолжить: аденозин, глицин, ацетилхолин, норадреналин… Любой из них крайне важен для функционирования мозга и внутренних органов. На их основе созданы важнейшие группы лекарств.

Иерархия отделов мозга

На макроуровне мозг представляет собой сложную иерархию структур. Проще всего устроен спинной мозг. Там мы можем достаточно четко выделить участки, отвечающие за сенсорику; двигательные зоны; вегетативные зоны, которые управляют внутренними органами; интегративные зоны.

В головном мозге сложность структур резко увеличивается, хотя самые нижние зоны – луковица и мост – реализуют довольно простые задачи: дыхание, управление сердечнососудистой системой и так далее.

Надо отметить, что головной мозг эволюционирует вперед и в сторону (как говорят анатомы, рострально и латерально). В нем выделяют структуры, классифицирующиеся по времени возникновения. Древние структуры есть уже у рыб, наших далеких предков. Старые структуры появляются в момент выхода позвоночных на сушу, они часто связаны с деятельностью конечностей. Новые структуры характерны для млекопитающих, а многие из них – лишь для обезьян и человека.

В среднем мозге помещаются древние центры: зрения, слуха, сна, двигательные. Большие полушария — самая крупная часть нашего головного мозга. В них располагаются высшие участки и центры, отвечающие за сенсорику, движение, мышление и так далее.

Промежуточный мозг состоит из верхней зоны (таламуса) и нижней (гипоталамуса). Первый является фильтром, через который проходит практически вся информация, поднимающаяся в наши высшие центры. Второй же преимущественно отвечает за эндокринную и вегетативную регуляцию.

Строение головного мозга

Мозжечок – это центр нашей двигательной памяти, в нем также выделяют новые, старые и древние зоны. Древние отвечают за оптимизацию рефлекторных программ, старые в первую очередь призваны обеспечивать перемещение человека в пространстве (шаг, бег), а новые ответственны за тонкие движения пальцев (например, при игре на музыкальных инструментах, письме, печатании на клавиатуре).

Мозг и потребности

Ключевая задача мозга — руководить поведением, которое в большинстве случаев нацелено на удовлетворение определенной нужды. Есть ряд базовых потребностей, с рождения встроенных в мозг и являющихся основой нашего поведения.

В перечень потребностей прежде всего входят витальные программы, ответственные за выживание человека: питание, защищенность, гомеостаз и так далее. Велика роль социальных программ, отвечающих за жизнь внутри сообщества. И есть особые программы, заставляющие стремиться к свободе, новизне, подражанию.

Центр каждой биологической потребности можно обнаружить в той или иной зоне мозга и проанализировать, на какие факторы реагирует этот центр. Как правило, значимы, во-первых, внешние сигналы, скажем, какие-то болевые стимулы. Во-вторых, внутренние сигналы, допустим, химический состав крови. Огромное значение для некоторых видов поведения имеет гормональный фон.

Каждый конкретный поведенческий акт может приводить либо к удовлетворению потребности, либо к тому, что она не удовлетворяется. Если нужду удается удовлетворить, в мозге генерируются позитивные чувства. Они заставляют мозг запоминать успешные алгоритмы поведения. При фрустрации же возникают негативные чувства. На их основе происходит забывание, снижение рейтинга тех программ, которые окончились неудачей.

Обучение и запоминание

Ключевой структурой, отвечающей за кратковременную память, является гиппокамп – зона, которая расположена у нас в глубине височных долей. Там находятся особые рецепторы (NMDAR), способные почти мгновенно менять свою активность при получении сильного сигнала. Если возникает большое количество потенциалов действия, эти рецепторы переходят в активное состояние, в результате чего синапсы, где они локализуются, начинают проводить информационные потоки. Это активное состояние сохраняется в течение нескольких часов.

Для возникновения долговременной памяти, как правило, нужно, чтобы в нейронах были синтезированы новые рецепторы, которые встроились бы в мембрану, воспринимающую действие медиатора. Почти всегда данным медиатором является глутамат. Формирование долговременной памяти, как правило, происходит на фоне эмоций, которые генерируются в центре потребностей.

Таким образом, независимо от того, какую конкретно информацию мы запоминаем, в разных частях нашей коры головного мозга происходит одно и то же событие: повышается эффективность синапсов, проводящих сигналы от глутаминовой кислоты. Этот механизм является универсальным способом вписать в нейросеть новую информацию и создать новые каналы для ее проведения.

Мозг и мышление

Высшие функции больших полушарий связаны с ассоциативной корой. Ассоциативность здесь подразумевает то, что она объединяет многие информационные потоки. И на боковой поверхности полушарий мы видим прежде всего ассоциативную теменную кору и ассоциативную лобную кору. Первая занимает в основном заднюю часть теменной доли, располагается она между двумя главными сенсорными центрами. В итоге здесь собирается зрительная, слуховая, тактильная, вкусовая информация и прочие информационные потоки. Формируется целостная сенсорная картина внешнего мира.

Лобная кора – это главный центр управления поведением. Здесь принимаются решения о запуске тех или иных программ. И первое, что она делает, — это оценивает выраженность различных потребностей. Этот участок мозга выбирает доминирующую нужду, а дальше он должен запустить программу, которая позволила бы эту нужду удовлетворить. При этом лобная кора учитывает сигналы от ассоциативной теменной коры, а также от центров памяти: от гиппокампа, от тех нейросетей, которые модифицировались в ходе долговременного обучения. Она запускает программу и мониторит ее реализацию. Такой мониторинг особенно важен в том случае, если программа длительная, если нужно за каждым этапом смотреть, удалось или не удалось достичь некой текущей цели.

Повреждение этого участка приводит к тому, что такие функции человеческого мозга, как воля и инициатива, очень сильно страдают. Кроме того, свойства ассоциативной лобной коры определяют такие особенности нашего темперамента, как импульсивность и настойчивость.

Опасности и ловушки

За последние 20-30 лет человечество узнало о работе мозга очень-очень много. Эта информация чрезвычайно важна и полезна, если мы хотим как-то корректировать работу нервной системы, улучшать ее, помогать в случае тех или иных патологий. Сейчас мы гораздо яснее видим различные ловушки и проблемы. Например, проблему использования психотропных препаратов. Мы очень четко понимаем, что любой серьезный психотропный препарат (нейролептик, антидепрессант, снотворный препарат) фатально влияет на работу синапсов и состояние нейросетей и вызывает привыкание и зависимость.

В еще большей степени это относится к наркотическим препаратам, которые порой не просто меняют состояние нейросетей на очень длительный срок, но и разрушают эти нейросети и приводят к гибели нервных клеток, например, в центрах положительных эмоций.

Особая группа проблем связана с тем, что мозг человека, судя по всему, слишком быстро эволюционировал. В результате некоторые высшие функции мозга оказались не совсем адекватно инсталлированы, в связи с чем каждый сотый человек является шизофреником, а каждый двухсотый страдает эпилепсией. Список таких проблем можно продолжать. Чтобы корректировать такие патологические состояния организма ученым и медикам придется еще очень много потрудиться.

Наконец, проблема нейродегенерации. Нервные клетки порой накапливают в своей цитоплазме дефектные белки, которые нарушают их работу и приводят к гибели. К сожалению, все усилия нейрофизиологии и других нейронаук пока что не привели к радикальному успеху в этой области. Такие заболевания, как паркинсонизм и болезнь Альцгеймера, мы пока толком лечить не умеем, и это, безусловно, задача 21 века.