Впервые идею о пластинчатом строении мозга выдвинул и обосновал Б. Рексед [1]. По существу это была первая цитоархитектоническая классификация в науке о спинном мозге. В основу своей классификации Рексед положил интегральную оценку таких морфологических параметров, как-то: пространственное положение нейронов относительно длинной оси спинного мозга, характер ветвления воспринимающих отростков нейрона или дендритов, направленность выходных отростков нервных клеток или аксонов, особенности устройства синапсов и т.д.

Впервые идею о пластинчатом строении мозга выдвинул и обосновал Б. Рексед [1]. По существу это была первая цитоархитектоническая классификация в науке о спинном мозге. В основу своей классификации Рексед положил интегральную оценку таких морфологических параметров, как-то: пространственное положение нейронов относительно длинной оси спинного мозга, характер ветвления воспринимающих отростков нейрона или дендритов, направленность выходных отростков нервных клеток или аксонов, особенности устройства синапсов и т.д. С учетом всего этого Рексед выделил десять пластин в сером веществе спинного мозга, из них девять в направлении от дорзальной поверхности спинного мозга к вентральной его поверхности и одну, десятую пластину, вокруг центрального канала спинного мозга.

Это открытие Рекседа получило блестящее и довольно неожиданное подтверждение в наши дни, поскольку была обнаружена биохимическая специфика нейромедиации в большинстве из пластин. В контексте нашего доклада вызывает интерес экспериментальный факт о наличии во II пластине Рекседа нейронов, реагирующих на то, что называется медленной щеткой («slow brush»), т.е. на низкопороговые стимулы, перемещающиеся параллельно коже со скоростью менее 1 см/с. Эти нейроны занимают до 50% объема II пластины у приматов и отличаются чувствительностью к свету [2].

Что же касается пластинчатого строения головного мозга, то впервые эту идею выдвинул Д. Хьюбел [3]. Речь, в частности, идет о первичной зрительной коре (она же стриарная, т.е. полосатая кора; другие ее обозначения: поле 17 и V1), которая относится к наиболее сложно устроенным областям новой коры, занимающей у человека 95-96% поверхности большого мозга. Однако Хьюбел называет пластинами колонки нейронов, каждая из которых (т.е. колонок) проходит через весь толстый слой первичной зрительной коры (около 2 мм), воспринимая и перерабатывая информацию, поступающую по разным каналам, независимо друг от друга. В этой связи заметим, что в толстом слое стриарной коры выделяют несколько более тонких слоев (конкретно 6) и подслоев. Толщина более тонких слоев составляет десятые доли миллиметра, что, вероятно, соответствует по порядку толщине пластин Рекседа (которая, по нашим расчетам, равна около 150 мк).

Таким образом, предположительно можно считать, что термин «слой» соответствует понятию «пластина». На наш взгляд [4], каждая колонка первичной зрительной коры, состоящая из 6 слоев (или пластин), представляет собой микромодуль, в котором обрабатывается информация, поступающая из небольшого участка поля зрения. Интеграция же мозаичной информации происходит в макромодуле, объединяющем (согласно [3]) 500-1000 микромодулей (или колонок). Аналогом микромодуля в сером веществе спинного мозга можно считать первые четыре пластины, где обработка сигналов от кожи и внутренних органов производится, по-видимому, независимо. Сложность первичной зрительной коры по сравнению с серым веществом спинного мозга заключается в том, что в коре происходит интеграция от 500-1000 микромодулей (колонок), в то время как в пластинах Рекседа всего от двух. В первичной зрительной коре имеются ориентационные колонки, т.е. колонки нейронов с функцией оптимальной ориентации стимула, и колонки глазодоминантности. В стриарной коре обезьян примерно 70-80% клеток обладают свойствами ориентационной избирательности.

Современные нейрокомпьютеры имеют пластинчатую структуру. Это не случайно, поскольку двумерная (пластинчатая) организация удовлетворяет двум необходимым условиям: каждая из пластин должна выполнять определенную функцию и, в тоже время, почти каждый ее элемент должен быть доступен для связей с внешним миром и/или с другими пластинами. В трехмерном случае (например, вместо пластин-колонки) эти условия практически выполнить невозможно.

Современная теория нейрокомпьютинга различает следующие модели обработки информации: однопластинчатую модель Хопфилда, позволяющую реализовать обучение, распознавание и внимание; двухпластинчатую модель Гроссберга, где дифференцируется пластина обученных связей, обеспечивающая распознавание, не обязательно обученные межпластинчатые связи, пластина с самоактивацией каждого элемента и тормозными связями к другим элементам, что обеспечивает локализацию распознаваемого образа; двухпластинчатую модель «back propagation» с пластиной формирования пространства признаков и, соответственно с возможностью ступенчатого дообучения, а также с пластиной распознавания; двухпластинчатую модель с контрастированием, где дифференцируется пластина с позитивной кодировкой образа и пластина с негативной кодировкой образа (при этом от каждого элемента негативной пластины поступает тормозящий сигнал на соответствующий элемент позитивной пластины, благодаря чему «лишние» возбужденные элементы позитива гасятся и повторяя процедуру «позитив-негатив-позитив» несколько раз, можно очистить образ от всех «лишних» элементов).

Таким образом, пластинчатые модели нейрокомпьютинга позволяют реализовать обучение, распознавание, «внимание», ступенчатое дообучение, локализацию и контрастирование распознаваемого образа. Конкретный анализ, проведенный нами в [5] показал, что в первых пяти пластинах Рекседа в принципе возможна реализация двукратного предварительного обучения, распознавания и «внимания», двукратного ступенчатого дообучения и двукратного одновременного обучения, тройного контрастирования образа и повторной локализации образа. Кроме того, в итоге принципиально возможна реализация обучения, распознавания и «внимания» на новом интегральном уровне с учетом независимой информации, что происходит в V пластине Рекседа.

А как обстоит дело в первичной зрительной коре с учетом ее многократного усложнения по сравнению с серым веществом спинного мозга? Известно [3], что ориентационные колонки в стриарной коре используют тормозной механизм контрастирования. Более того, ориентационные колонки и колонки глазодоминантности независимо друг от друга объединены в огромное число функциональных макромодулей, где осуществляется распознавание сопоставимых фрагментов образа, т.е. по существу многократное дублирование и своеобразное подтверждение (в свою очередь, подтверждению предшествует локализация фрагмента). Сопоставимы они в том смысле, что поступающая в отдельные макромодули информация весьма различна по степени своей детализации, а в выходных сигналах отдельных макромодулей этот параметр, т.е. степень детализации, нивелирован.

Таким образом, конкретный анализ реальных нейросетей церебрального уровня показывает, что здесь, как и на спинальном уровне, весьма вероятна реализация классических парадигм нейрокомпьютинга, а именно: моделей Хопфилда, Гроссберга, «back propagation», контрастирования. Отметим однако, и появление нетипичных для спинального уровня форм. Мы имеем в виду представление о мозаичной обработке визуальной информации в первичной зрительной коре, что соотносится сразу с комплексом нейрокомпьютинговых процедур, а именно: сопоставлением, локализацией, подтверждением, контрастированием. В этой связи напомним, что в процессе распознавания образа вслед за сбором и выделением ценной информации, т.е. формированием пространства признаков, и обучением, т.е. составлением комбинаций признаков, соответствующих данному классу в обучающем множестве, и формулировкой решающего правила (алгоритма) происходит выделение объекта из экзаменуемого множества на основе решающего правила с процедурами проверки и подтверждения. Для этого распознавание многократно повторяется и результаты сопоставляются.

В свою очередь, выделение объекта из фона сегодня рассматривается как один из ключевых моментов осознания [6]. Более того, согласно последним экспериментальным результатам, полученным с помощью позитронной эмиссионной томографии у практически здоровых добровольцев при приеме психотропных препаратов [7], один из характерных признаков измененного состояния сознания, а именно, полная неопределенность, как и визуальная реструктуризация воспринимаемого пространства, коррелирует с уменьшением мозгового метаболизма в затылочной коре (т.е. и в первичной зрительной коре) и, напротив, с повышением интенсивности мозгового метаболизма в лобно-теменной и височной коре.

Литература

1. Rexed B. The cytoarchitectonic organization of the spinal cord in the cat // The Journal of Comparative Neurology.-1952.-V. 96, No. 3.-P. 415-495.
2. Light A.R. Normal anatomy and physiology of the spinal cord dorsal horn // Applid Neurophysiology.-1988.-V. 51, No. 2-5.-P.78-88.
3. Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение. -М.: Мир.-1990.-239 с.
4. Родштат И.В., Чернавский Д.С., Карп В.П. Нейрокомпьютинг и реальные нейросети спинального и церебрального уровня // Биомедицинская радиоэлектроника (в печати).
5. Карп В.П., Родштат И.В., Чернавский Д.С. Нейрохимия спинальной регуляции и нейрокомпьютинг // Вестник новых медицинских технологий.-1996.-Т. III, N. 4.-С. 67-74.
6. Крик Ф., Кох К. Проблема сознания // В мире науки. -1992.-N. 11-12.-С. 113-120.
7. Vollenweider F.X., Gamma A., Dittrich A. PET studies into altered states of consciousness and patterns of metabolic brain activity // Toward a Science of Consciousness 1998 «Tucson III».-Abstract No. 1201.

Родштат Игорь Вениаминович — доктор медицинских наук, тел.раб. 526-9046
Чернавский Дмитрий Сергеевич — акад.РАЕН, докт.физ.-мат.наук, проф., зав.сектором теоретической биофизики ФИАН им.П.Н.Лебедева, тел.раб 132-6296
Карп Виктория Павловна — канд.техн.наук, доц МИРЭА, тел.раб.365-4136