Лекция 5. Нейрон

Много сотен миллионов лет назад появились многоклеточные организмы. По-видимому, какой-то микроорганизм получил такое изменение в ДНК, что после деления клетки не стали, как раньше, разбегаться и жить самостоятельно, а остались слепленными вместе. В дальнейшем это дало возможность таким группам клеток использовать преимущества разделения труда и специализации.
Те клетки, которые оказывались близко к краю, вынуждены были взять на себя взаимодействие с окружающей средой: они забирали из нее нужные вещества, они же выделяли наружу отходы жизнедеятельности всей колонии. Те клетки, которые оказались в центре, лишились необходимости выполнять такие задачи, им вещества доставались от наружных клеток, проникая сквозь клеточные мембраны. Но освободившись от одних функций, клетки могли больше ресурсов уделить другой задаче – обработке полученных веществ, разложение их на составляющие, необходимые для строительства собственного организма.
Таким образом, функции, ранее выполнявшиеся клетками, а теперь ставшие ненужными, затухают. Это позволяет клетке все свои ресурсы пустить на выполнение основных функций. При этом специализация неизбежно связана с потерей каких-то полезных свойств. Но при этом объединенные специализированные элементы получают значительные преимущества перед не объединенными универсальными индивидуумами.
Плюс разделения труда заключается в увеличении силы и возможностей системы элементов за счет их лучшей управляемости. Оружие инфузории – мало и слабо. Но если клеток, владеющих оружием, становятся сотни и тысячи и они действуют согласованно – никакое одноклеточное существо не может противостоять ему.
А почему и каким образом можно получить при помощи специализированных клеток сложные алгоритмы поведения? Допустим, одна клетка имеет несколько способов реагирования на воздействия окружающей среды. Все эти способы определяются химическим составом клетки, и значит, есть несколько веществ, концентрация которых управляет исполнительными механизмами клетки. (Термин «Исполнительный механизм» - сокращённо ИМ - используется  в теории автоматического управления. Это устройство, обеспечивающее действие системы по отношению к окружающей среде, в отличие от датчиков, получающих информацию об окружающей среде, и устройства обработки информации, принимающего решение о том, какую реакцию на окружающую среду выбрать). Если нужно создать новую реакцию на воздействие окружающей среды, нужно найти и новую конструкцию ИМ и новое химическое соединение, концентрация которого могла бы им управлять. Для природы, действующей методом проб и ошибок, задача труднейшая. Другое дело, когда имеется множество клеток, каждая из которых имеет один (специализация!), но одинаковый у всех ИМ. Различные алгоритмы поведения получаются уже потому, что одни клетки могут «запускать» свои ИМ, а другие при этом – не запускать. Конечно, делить возбуждение ИМ на уровне отдельных клеток нет нужды – одновременно управляются целые группы. Результат – качественно новых алгоритмов поведения можно добиться, не используя качественно новых химических соединений, простым перебором вариантов. В результате  последовательного применения такого принципа получается то, что мы можем видеть постоянно: совершенство движений птицы, паука, человека по сравнению с немногими заученными движениями инфузории.
В следующей главе мы обсудим механизмы специализации, а пока нас будет интересовать один её продукт: нервная клетка, нейрон.
Сделаю одно небольшое отступление. Природа как будто специально решила помочь исследователям мышления. Она сохранила виды со всеми возможными уровнями развития мышления – от простейших до человека. У человека много нейронов, и почти все они расположены в головном мозге (по одним источникам – 14-18 миллиардов нейронов, по другим – более 100 миллиардов). Мозг человека чрезвычайно сложен, и понять изначальное назначение нейрона по нему трудно. Зато в природе существуют организмы (улитки, черви), количество нейронов у которых измеряется десятками. Мозга у таких живых существ, естественно, нет. И по ним судить о назначении нейрона можно очень точно.  Добавлю, что эти живые существа можно сравнить с многоклеточными, лишёнными нейронов – и увидеть, какие существенные изменения вызвало их появление.
А назначение нейрона таково: он связывает датчики сигналов от внешней среды с исполнительными механизмами. Живое существо со специализированными клетками очень похоже на технические схемы с автоматическим управлением. Для таких систем необходимы датчики информации (и природа в результате специализации сделала некоторые клетки способными получать информацию о внешней среде – из них сделаны органы чувств) и исполнительные механизмы (эти клетки стали способны к механическим действиям или выработке специальных веществ – из них сделаны мышцы и железы). Датчики хорошо могут получать некоторую информацию об окружающей среде, но совсем не могут производить никаких действий. А ИМ могут реагировать на окружающую среду, но не знают, какая реакция сейчас нужна. Датчики с ИМ необходимо связать, нейрон возник исключительно с этой целью.
Должен сделать замечание об использовании слова «цель» по отношению к природе. Понятно, что эволюционист-противник теории божественного сотворения мира не может говорить, что природа руководствуется какими-то целями. Но природа создаёт живые существа и их органы (при помощи эволюции, законы которой описаны Дарвином), которые начинают выполнять определённую функцию, и чем успешнее они выполняют эту функцию, тем лучше становится положение этих существ с точки зрения выживания.  В этом случае можно говорить о цели – целью оказывается наилучшее выполнение заданной природой функции. Например, можно говорить о главной цели живых существ – обеспечить продолжение жизни своего вида. Воспроизведение является основной функцией любого живого существа (или сообщества живых существ, если они стайные). Это условие необходимо для существования жизни, живые существа, которые по той или иной причине перестали выполнять это условие, вымерли. Поэтому можно говорить о сохранении жизни в потомстве как о главной цели живого. Далее, если я буду говорить о каких-либо целях в природе (до целей, которые ставит себе человек), я буду иметь в виду именно такую трактовку.
Нейрон представляет собой клетку, снабжённую многочисленными отростками для получения сигналов (дендритами) и одним ветвящимся выходом (аксоном), через который нейрон выдаёт собственный сигнал. Нейроны могут соединяться друг с другом, когда волокна аксона примыкают к дендритам или телу другого нейрона и образуют особый контакт, называемый синапсом.
К этой лекции прилагается рисунок, на котором объединены два рисунка из многочисленных изображений нейрона, имеющихся в интернете. Они весьма схематичны, и если первый выбран за показ внешнего вида нейрона и способа соединения нейронов между собой, то второй – исключительно ради надписи, которая свидетельствует, что длина аксона может достигать метра и более (!). Естественно, имеется в виду организм, имеющий соответствующие размеры (скорее всего, человек), и нейроны, связывающие мозг с исполнительными механизмами. Ведь все нервы, имеющиеся у человека – это аксоны нейронов.
Как и все системы с обратными связями, организм, использующий нейроны, должен иметь сигнал, при помощи которого передаётся информация от датчика к нейрону, от одного нейрона к другому, от нейрона к ИМ.
Обязательным требованием к  нервным клеткам является  способность работать с датчиками и ИМ самой разной физической природы. А мы видели, что сигналом датчика является изменение концентрации какого-то специфического вещества, поскольку один датчик реагирует на температуру и содержит вещество, концентрация которого меняется от температуры, другой – на колебания окружающей среды, и он содержит другое вещество, концентрация которого меняется при колебаниях, и т.д. Нейроны же должны воспринять эти изменения концентрации и передать информацию об этом на другие нейроны или ИМ. Для этого нужен универсальный носитель информации, такой, чтобы он мог воспринимать изменение концентрации самых различных веществ, и чтобы он сам мог вызывать изменение концентрации различных веществ в различных ИМ – управлять ими. Такой носитель природой был найден – это электрическое поле. Электрические явления тесно связаны с химическими, и существуют химические реакции, приводящие к появлению разности электрических потенциалов, так же как и электрическое поле может оказывать влияние на протекание некоторых химических реакций. Нейроны могут и воспринимать, и вырабатывать электрический сигнал, а также передавать его на значительные расстояния.
Появление на входе дендрита заряда приводит к запуску электрохимического процесса и передаче сигнала по волокну дендрита в тело нейрона. Появление на входах нейрона достаточно сильного сигнала приводит к возбуждению нейрона, при этом он выделяет на выход электрический импульс, улавливаемый другими, присоединенными к его выходу, нейронами. Скорость передачи сигнала нервными волокнами человека – от 0,5 до 115 м/с (С.М.Блинков, И.И.Глезер. Мозг человека в цифрах и таблицах. «Медицина», Ленинградское отделение, 1964). 
Нейрон – созданное природой электронное устройство. Он обладает полезными свойствами электронных устройств, хорошо известными человеку, поскольку и человек умеет делать электронные устройства.
1. Электронные устройства совместимы друг с другом. Достаточно обеспечить сравнительно несложные правила согласования входов и выходов, и электронные устройства можно подключать одно к другому. Это позволяет человеку из несложных электронных устройств собирать сложные радиотехнические системы, а природе – создавать сложные структуры из нейронов (мозг).
2. Электрические сигналы могут легко изменяться во времени практически любым образом. Могут существовать сигналы любой формы – и есть способы и устройства, чтобы эти сигналы производить и воспринимать. Можно придавать сигналам специальную форму (кодировать), и передавать при помощи такого кодирования дополнительную информацию. Это позволяет человеку передавать при помощи электрического (точнее, электромагнитного) сигнала такие сложные вещи, как, например, телевизионное изображение. А природе это позволяет снабдить живые существа зрением, которое обеспечивается специальными нервными клетками, способными принять и передать в мозг сигнал о яркости и цвете излучения с очень большим количеством градаций (различных вариантов яркости и цвета).
3. Природа электрических сигналов позволяет создавать помехозащищенные устройства, т.е. устройства, на которые слабо влияют внешние электромагнитные поля.
Во-первых, уже упоминавшаяся возможность кодировки сигнала позволяет фильтровать нужные сообщения. На этом принципе работают все радиоприемники, и из сотен сигналов, одновременно попадающих на антенну, выбирают только тот, на который настроены колебательные контуры приемника. Во-вторых, электромагнитное поле подчиняется принципу суперпозиции: поля просто складываются в пространстве, т.е. одно поле не искажает другое. В-третьих, применение цифровых, пороговых устройств позволяет избавиться от влияния небольших все же просачивающихся на вход устройства шумов и посторонних сигналов. Человеку применение цифрового способа обработки сигналов позволило создать содержащие огромное число элементов и работающие практически без сбоев компьютеры. В природе нейроны тоже работают по цифровому, пороговому принципу.
В одной из предыдущих лекций я сказал, что нейрон – простое устройство. Как ни странно, нашёлся человек, который стал писать замечания на мои лекции, и одно из них было такое: нейрон очень сложен. Такая разница во взглядах на нейрон произошла, по-видимому, из-за различия тех качеств нейрона, к которым мы прилагали понятия «сложный» и «простой». Разумеется, нейрон, как и любая живая клетка, чрезвычайно сложен. Процессы, которые происходят в клетке, по сути и являются процессами жизни. Если понять эти процессы, загадка жизни будет разгадана. Но я имел в виду другое: алгоритм функционирования нейрона. У нейрона есть входы, есть выходы, и выходной сигнал является функцией входных. Может ли быть алгоритм работы нейрона сложным? Даже из общих соображений очевидно: не может. Это всего лишь клетка, для которой не существует окружающей обстановки, принятия решений, действий по адаптации к окружающей среде. Для неё существуют только сигналы на входах (дендритах) и условие, при выполнении которого нейрон выдаёт импульс на выход. И всё.