Эссе для курса Физиология центральной нервной системы, на тему "Электрические свойства нейронов."
Это эссе посвящено интерфейсам взаимодействия людей с компьютерами и другими устройствами. А именно перспективам нейроинтерфейсов.
Распространение потенциала действия. Интерфейс мозг-компьютер. Протезирование чувств. Протезирование движений.
Мне очень интересны электрические свойства нейронов, как очень вероятный базис для следующих версий интерфейсов "Человек техника". Уже сейчас очевидно, что миниатюризация компьютерной техники во многом ограничивается возможностями человека с ней взаимодействовать. Кроме того есть люди слепые и слабовидящие, глухие, немые, парализованные и страдающие ДЦП, для которых нынешние интерфейсы частично или полностью не подходят. Кроме того исследование распространения потенциалов действия по нейронам дает надежду появления протезов нового уровня: протезов конечностей имеющих подвижность и тактильную чувствительность сравнимую, а возможно и превосходящие естественные конечности, искусственных глаз полностью восстанавливающих зрение, слуховых имплантов дающих слух любой тонкости, кроме того нельзя забывать про протезы сердца, желез внутренней и внешней секреции.
Нервные импульсы, сопровождаются изменениями электрических потенциалов нейронов. Эти изменения возможно зафиксировать, на них можно повлиять. Одним из вариантов фиксации и изменения электрических потенциалов нейронов живого организма является использование тончайших стеклянных электродов, но возможны и другие варианты ведь движение электрического заряда вызывает изменение напряженности электростатического и магнитного полей. Что обещает нам перспективу обмена информацией с техникой без посредства сокращений мышц и получения информации в обход фотоэффекта на сетчатке глаз.
Мы знаем что для того что бы нажать клавишу мыши, когда указатель находится в определенном месте экрана формируется рефлекторная дуга: фото рецепторные клетки (палочки и колбочки) - сенсорные нейроны объединенные между собой в рецептивные поля электрическими синапсами (с целью реакции на изменения условий освещенности) воспринимают фотоны света и создают потенциал действия который передается на биполярные нейроны. Далее с помощью химических синапсов его воспринимают ганглиозные клетки (нейроны с длинными аксонами составляющими в своей совокупности зрительный нерв), синапсы которых уже непосредственно контактируют с таламусом, через который зрительные импульсы попадают в мозг, мозг обрабатывает этот входной сигнал и при совпадении желаемого положения на экране образа указателя мыши отдает команду пальцу нажать на кнопку. Рефлекторная дуга продолжается, и посредством интернейронов через шейный отдел спинного мозга сигнал поступает на двигательный нейрон который заставляет нужные мышечные клетки сократиться и палец нажимает на клавишу. Нервный импульс это прежде всего волна изменения электрического потенциала мембраны клеток нейронов протекающая по аксонам до синапсов, где возбуждение передается следующим нейронам рефлекторной дуги. Пути сигналов длинные и относительно предсказуемые, а значит их можно считать и сопоставить с тем или иным действием.
Электрический потенциал передается по нейронной сети через электрические и химические синапсы, электрические передают потенциал действия сверхбыстро, но не позволяют обработать сигнал, химические же позволяют исключить обратимость сигнала, создать синапс имеющий тормозящее действие (очень грубо сопоставляемые с логическим элементом НЕ) строить логические схемы огромной сложности, и в организмах млекопитающих в основном используются именно химические синапсы. Однако электрические синапсы в настоящее время обнаружены даже в коре головного мозга, лимбической системе и стволе мозга человека, и имеют решающее значение для регулирования светочувствительности зрения.
Процесс передачи электрического потенциала сопровождает как обработку и запоминание (запоминание кроме того сопровождается изменениями синапсов) информации, так и любые действия человека как сознательные так и бессознательные.
Иногда данные механизмы нарушаются, например при глаукоме питание зрительного нерва ухудшается он истончается и перестает нормально передавать потенциал действия, человек слепнет, наблюдается выпадение полей зрения. При некоторых вариантах эпилепсии возникает гиперсинхронный разряд множества клеток головного мозга, возникают судороги и припадки. Кроме того множество токсинов животного и растительного происхождения так или иначе влияют именно на механизмы передачи потенциала действия или восстановления потенциала покоя. Уязвимость этого важнейшего механизма с одной стороны является проблемой, с другой же эти вещества при правильном применении используются как лекарства и косметические препараты.
Мне кажется что проще всего считывать и влиять на потенциалы действия достаточно длинных и относительно понятных рефлекторных дуг. А именно на аксонов нейронов зрительного нерва, рефлекторных дуг от мозга на двигательные нейроны. Хотя наиболее перспективно было бы расшифровать структуры мозга отвечающие за мышление и память, и взаимодействовать с ними. Но это явно гораздо более сложная задача, современные исследования в области самообучающихся нейросетей демонстрируют нам всю ее сложность.
Уже сейчас есть устройства позволяющие слепым видеть с помощью видеокамеры подключенной к матрице электродов положенной на язык. Это демонстрирует нам высокую адаптивность нейронной сети нашей центральной нервной системы. Можно предположить что правильно рассчитанная симуляция непосредственно нейронов (возможно таламуса, но скорее нейронов зрительного нерва) позволит на порядок улучшить этот механизм и увеличить его разрешающую способность.
Мы знаем так же про устройства которые позволяют считывая электрический потенциал кожи, управлять компьютерным указателем и протезами для людей потерявших конечности. Скорее всего инвазивный или не инвазивазивный съем данных непосредственно с нейронов входящих в рефлекторную дугу управления телом человека, позволит сделать эти устройства гораздо эффективнее в недалеком будущем.
Список использованной литературы:
1. Лекции курса "Физиология центральной нервной системы"
2. Статья "Причины эпилепсии" http://zdravotvet.ru/prichiny-epilepsii-u-detej-i-vzroslyx/
3. Статья "Леденец BrainPort позволяет слепым видеть языком" http://www.membrana.ru/particle/1131
4. Статья "Силой мысли: история нейроинтерфейсов, современные разработки и финансовые перспективы области" https://vc.ru/18995-neurointerfaces
5. Статья "Анатомия зрительного пути." http://meduniver.com/Medical/Anatom/614.html
Первое эссе: Про сон и виртуальную реальность: https://tot-13.livejournal.com/91706.html
Второе эссе: без него первое не более чем незначительный кусочек мозаики. https://tot-13.livejournal.com/92135.html
Третье эссе: собственно про интерфейсы мозг компьютер: https://tot-13.livejournal.com/92312.html
Распространение потенциала действия. Интерфейс мозг-компьютер. Протезирование чувств. Протезирование движений.
Мне очень интересны электрические свойства нейронов, как очень вероятный базис для следующих версий интерфейсов "Человек техника". Уже сейчас очевидно, что миниатюризация компьютерной техники во многом ограничивается возможностями человека с ней взаимодействовать. Кроме того есть люди слепые и слабовидящие, глухие, немые, парализованные и страдающие ДЦП, для которых нынешние интерфейсы частично или полностью не подходят. Кроме того исследование распространения потенциалов действия по нейронам дает надежду появления протезов нового уровня: протезов конечностей имеющих подвижность и тактильную чувствительность сравнимую, а возможно и превосходящие естественные конечности, искусственных глаз полностью восстанавливающих зрение, слуховых имплантов дающих слух любой тонкости, кроме того нельзя забывать про протезы сердца, желез внутренней и внешней секреции.
Нервные импульсы, сопровождаются изменениями электрических потенциалов нейронов. Эти изменения возможно зафиксировать, на них можно повлиять. Одним из вариантов фиксации и изменения электрических потенциалов нейронов живого организма является использование тончайших стеклянных электродов, но возможны и другие варианты ведь движение электрического заряда вызывает изменение напряженности электростатического и магнитного полей. Что обещает нам перспективу обмена информацией с техникой без посредства сокращений мышц и получения информации в обход фотоэффекта на сетчатке глаз.
Мы знаем что для того что бы нажать клавишу мыши, когда указатель находится в определенном месте экрана формируется рефлекторная дуга: фото рецепторные клетки (палочки и колбочки) - сенсорные нейроны объединенные между собой в рецептивные поля электрическими синапсами (с целью реакции на изменения условий освещенности) воспринимают фотоны света и создают потенциал действия который передается на биполярные нейроны. Далее с помощью химических синапсов его воспринимают ганглиозные клетки (нейроны с длинными аксонами составляющими в своей совокупности зрительный нерв), синапсы которых уже непосредственно контактируют с таламусом, через который зрительные импульсы попадают в мозг, мозг обрабатывает этот входной сигнал и при совпадении желаемого положения на экране образа указателя мыши отдает команду пальцу нажать на кнопку. Рефлекторная дуга продолжается, и посредством интернейронов через шейный отдел спинного мозга сигнал поступает на двигательный нейрон который заставляет нужные мышечные клетки сократиться и палец нажимает на клавишу. Нервный импульс это прежде всего волна изменения электрического потенциала мембраны клеток нейронов протекающая по аксонам до синапсов, где возбуждение передается следующим нейронам рефлекторной дуги. Пути сигналов длинные и относительно предсказуемые, а значит их можно считать и сопоставить с тем или иным действием.
Электрический потенциал передается по нейронной сети через электрические и химические синапсы, электрические передают потенциал действия сверхбыстро, но не позволяют обработать сигнал, химические же позволяют исключить обратимость сигнала, создать синапс имеющий тормозящее действие (очень грубо сопоставляемые с логическим элементом НЕ) строить логические схемы огромной сложности, и в организмах млекопитающих в основном используются именно химические синапсы. Однако электрические синапсы в настоящее время обнаружены даже в коре головного мозга, лимбической системе и стволе мозга человека, и имеют решающее значение для регулирования светочувствительности зрения.
Процесс передачи электрического потенциала сопровождает как обработку и запоминание (запоминание кроме того сопровождается изменениями синапсов) информации, так и любые действия человека как сознательные так и бессознательные.
Иногда данные механизмы нарушаются, например при глаукоме питание зрительного нерва ухудшается он истончается и перестает нормально передавать потенциал действия, человек слепнет, наблюдается выпадение полей зрения. При некоторых вариантах эпилепсии возникает гиперсинхронный разряд множества клеток головного мозга, возникают судороги и припадки. Кроме того множество токсинов животного и растительного происхождения так или иначе влияют именно на механизмы передачи потенциала действия или восстановления потенциала покоя. Уязвимость этого важнейшего механизма с одной стороны является проблемой, с другой же эти вещества при правильном применении используются как лекарства и косметические препараты.
Мне кажется что проще всего считывать и влиять на потенциалы действия достаточно длинных и относительно понятных рефлекторных дуг. А именно на аксонов нейронов зрительного нерва, рефлекторных дуг от мозга на двигательные нейроны. Хотя наиболее перспективно было бы расшифровать структуры мозга отвечающие за мышление и память, и взаимодействовать с ними. Но это явно гораздо более сложная задача, современные исследования в области самообучающихся нейросетей демонстрируют нам всю ее сложность.
Уже сейчас есть устройства позволяющие слепым видеть с помощью видеокамеры подключенной к матрице электродов положенной на язык. Это демонстрирует нам высокую адаптивность нейронной сети нашей центральной нервной системы. Можно предположить что правильно рассчитанная симуляция непосредственно нейронов (возможно таламуса, но скорее нейронов зрительного нерва) позволит на порядок улучшить этот механизм и увеличить его разрешающую способность.
Мы знаем так же про устройства которые позволяют считывая электрический потенциал кожи, управлять компьютерным указателем и протезами для людей потерявших конечности. Скорее всего инвазивный или не инвазивазивный съем данных непосредственно с нейронов входящих в рефлекторную дугу управления телом человека, позволит сделать эти устройства гораздо эффективнее в недалеком будущем.
Список использованной литературы:
1. Лекции курса "Физиология центральной нервной системы"
2. Статья "Причины эпилепсии" http://zdravotvet.ru/prichiny-epilepsii-u-detej-i-vzroslyx/
3. Статья "Леденец BrainPort позволяет слепым видеть языком" http://www.membrana.ru/particle/1131
4. Статья "Силой мысли: история нейроинтерфейсов, современные разработки и финансовые перспективы области" https://vc.ru/18995-neurointerfaces
5. Статья "Анатомия зрительного пути." http://meduniver.com/Medical/Anatom/614.html
Первое эссе: Про сон и виртуальную реальность: https://tot-13.livejournal.com/91706.html
Второе эссе: без него первое не более чем незначительный кусочек мозаики. https://tot-13.livejournal.com/92135.html
Третье эссе: собственно про интерфейсы мозг компьютер: https://tot-13.livejournal.com/92312.html