Это знаменитое выражение, что «нервные клетки не восстанавливаются» я помню еще со студенческой скамьи. Однако жизнь и вечный стресс были знакомы мне с самого раннего детства. Все время были переживания, эмоциональные потрясения. И даже сейчас, моя коллега всегда говорит: «Когда-то наступит или нет в вашем «королевстве» спокойное время?» Наверное, лучше его и не ждать! А тем временем нервные клетки умирают от неспокойствия и вечного стресса, но можно построить новые нейронные связи мозга … статья вот об этом!
«Проводка»
Нейронные связи головного мозга — проводка нервной системы. Работа нервной системы основана на способности нейрона воспринимать, обрабатывать и передавать информацию другим клеткам.
Информация передается через нервный импульс. Поведение человека и функционирование его организма полностью зависит от передачи и получения импульсов нейронами через отростки.
У нейрона два типа отростков: аксон и дендрит. Аксон у нейрона всегда один, именно по нему нейрон передает импульс другим клеткам. Получает же импульс через дендриты, которых может быть несколько.
К дендритам «подведено» множество (иногда десятки тысяч) аксонов других нейронов. Дендрит и аксон контактируют через синапс.
Нервные клетки восстанавливаются (!)
До середины XX века считалось, что мозг взрослого человека — стабильная система, где все функции строго распределены по отделам, а сами нейроны могут только умирать.
Фразу «нервные клетки не восстанавливаются» каждый слышал и говорил много раз.
Действительно, в конце 1990-х годов некоторые ученые пришли к выводу, что стресс убивает клетки мозга. Но еще в 1960-х исследования показали, что наш мозг способен восстанавливаться после травматических событий.
Более того, во многих случаях, если часть мозга повреждена, функции этого отдела со временем может взять на себя другая часть.
Так появилось направление, которое изучает нейропластичность мозга (изменение и создание связей между нейронами).
Именно нейропластичность отвечает за способность мозга адаптироваться и менять нашу жизнь к лучшему.
Сейчас ученые пришли к выводу, что нейропластичность это «понятие-зонтик», которое включает множество процессов в мозгу, на которые мы можем влиять простыми действиями.
Мы расскажем об усилиях, которые помогут настроить мозг на эффективность и восстановление после стресса.
Нейрон и синапсы
Щель между дендритом и аксоном — синапс. Т.к. аксон «источник» импульса, дендрит «принимающий», а синаптическая щель — место взаимодействия: нейрон, от которого идет аксон, называют пресинаптическим; нейрон, от которого идет дендрит, — постсинаптическим.
Синапсы могут формироваться и между аксоном и телом нейрона, и между двумя аксонами или двумя дендритами. Многие синаптические связи образованы дендритным шипиком и аксоном. Шипики очень пластичны, обладают множеством форм, могут быстро исчезать и формироваться. Они чувствительны к химическим и физическим воздействиям (травмы, инфекционные заболевания).
В синапсах чаще всего информация передается посредством медиаторов (химических веществ). Молекулы медиатора высвобождаются на пресинаптической клетке, пересекают синаптическую щель и связываются с мембранными рецепторами постсинаптической клетки. Медиаторы могут передавать возбуждающий или тормозящий (ингибирующий) сигнал.
Нейронные связи головного мозга представляют собой соединение нейронов через синаптические связи. Синапсы — функциональная и структурная единица нервной системы. Количество синаптических связей — ключевой показатель для работы мозга.
Формирование нейронных связей у детей
Формирование нейронных связей у детей
Нервную систему человека по праву можно назвать одним из сложнейших устройств, большая часть механизмов которого до сих остаётся загадкой для учёных. Если под микроскопом рассматривать мельчайшие частицы этой системы – нейроны, – мы увидим такие замысловатые переплетения, что не сможем даже точно сказать, где заканчивается один и начинается второй. И переплетения эти всё более усложняются в процессе развития мозга.
Нервные клетки с необычайной скоростью (около четверти миллиона в минуту!) начинают формироваться уже в материнской утробе. К 11–12 неделе внутриутробного развития начинают своё формирование извилины и борозды мозга. К моменту рождения они выглядят всего лишь как схема будущего рисунка борозд. Общая же картина борозд и извилин сложится и будет достаточно устойчивой лишь через год после появления ребёнка на свет. Итак, на момент своего рождения ребёнок имеет почти все нейроны, предусмотренные для него природой. И тем не менее его нервная система ещё очень далека от совершенства: сеть нервных волокон только после рождения начинает своё бурное и неравномерное развитие.
Почему мы не помним первые годы жизни? Почему ребёнку многие знания даются легче, чем взрослому?
Известный факт: как правило, самые первые наши воспоминания относятся к возрасту трёх и более лет. Это объясняется недостатком нейронных связей в раннем детстве. И хотя более ранние переживания «забываются», нельзя сказать, что они проходят бесследно. Ведь именно они помогают подготовить мозг к приобретению новых знаний.
Когда в результате созревания мозга образуется множество нейронных связей, опыт сохраняют только активно используемые связи. К моменту половой зрелости наблюдается массовое исчезновение неиспользуемых связей. Именно здесь, на стыке задатков и воспитания, в окружающей ребёнка среде активизируются и сохраняются нервные связи. Однако если эта среда однообразная и обеднённая, нервные связи не будут использоваться и исчезнут. Это – биологическая основа раннего детского образования. Именно поэтому в раннем детстве, когда ещё востребованы излишние нервные связи, дети могут легче всего овладеть грамматикой и произношением иностранного языка. Если у человека до юношеского возраста не было никаких языковых контактов (письменных или знаковых), то он никогда не выучит ни одного слова.
Развитие мозга ребёнка в первые годы жизни
Для оптимального развития мозга ранние годы являются критическим (сензитивным) периодом. На протяжении всей жизни наши нервные ткани изменяются. Генетическая программа диктует нам общее строение мозга, а жизненный опыт руководит деталями.
Рецепторы
Рецепторы вспоминают каждый раз, когда говорят про наркотическую или алкогольную зависимость. Почему же человеку необходимо руководствоваться принципом умеренности?
Рецептор на постсинаптической мембране — белок, настроенный на молекулы медиатора. Когда человек искусственно (наркотиками, например) стимулирует выброс медиаторов в синаптическую щель, синапс пытается вернуть равновесие: снижает количество рецепторов или их чувствительность. Из-за этого естественные уровни концентрации медиаторов в синапсе перестают оказывать действие на нейронные структуры.
Например, курящие люди никотином изменяют восприимчивость рецепторов к ацетилхолину, происходит десенсибилизация (уменьшение чувствительности) рецепторов. Естественный уровень ацетилхолина оказывается недостаточным для рецепторов с пониженной чувствительность. Т.к. ацетилхолин задействован во многих процессах, в том числе, связанных с концентрацией внимания и ощущением комфорта, курящий не может получить полезные эффекты работы нервной системы без никотина.
Впрочем, чувствительность рецепторов постепенно восстанавливается. Хотя это может занимать долгое время, синапс приходит в норму, и человеку больше не требуются сторонние стимуляторы.
«Изменяя нейронные связи, мы можем управлять своими эмоциями»
При депрессии мы использовали практику внимательности: учили пациентов осознанно направлять внимание на их негативные мысли о самих себе и о мире вокруг. Но при этом нужно наблюдать их со стороны, просто как мысли, которые приходят и уходят; не отождествляться с ними, а, наоборот, отстраниться. Эта техника существенно уменьшает симптомы депрессии. Но она работает только при условии ежедневной практики, потому что нужно приучить, натренировать свой мозг реагировать иначе.
Вы говорите «направлять внимание», используете в работе практику внимательности. Внимание — что это такое с научной точки зрения?
Внимательность — это то, в какой мере мы способны фокусировать свое внимание и оставаться в этом состоянии, не отвлекаясь, не позволяя своему уму блуждать.
Тогда объясните, как вы определяете медитацию внимательности.
Один из аналогов слова «медитация» в санскрите — «ознакомление». Можно сказать, что на Востоке было развито целое семейство психических практик, которые назвали медитацией. И по сути, это набор различных стратегий для ознакомления человека с его собственным умом. Медитация внимательности относится к такому типу медитации, при котором практикующие учатся намеренно и без суждений направлять свое внимание на объект, эмоцию, мысль. И благодаря тому что они учатся не судить себя, свои действия и психические процессы, а также других людей, они учатся иначе эмоционально реагировать в стрессовых ситуациях.
Я уверен, что практики медитации обладают гигантским потенциалом не только в том, что касается трансформации сознания отдельных людей, но и, как следствие, мира, в котором мы живем. Я думаю, мало кто будет оспаривать тот факт, что если люди на планете станут более сострадательными и добрыми друг к другу, научатся лучше управлять своими эмоциями и своей жизнью, фокусировать свое внимание на действительно важных вещах, мы будем жить совсем в другом мире.
Наверное, лучше начинать учить детей практике внимательности как можно раньше, в возрасте 3–4 лет?
Я рад, что вы об этом спросили, потому что ответ на этот вопрос интересует и меня. В США мы проводим масштабное исследование, в котором участвуют дошкольники 4–5 лет. Для них мы разработали «Программу доброты», которая длится 12 недель. Например, мы просим детей лечь на пол и кладем им на живот небольшие камешки. Затем просим их в течение пяти минут наблюдать за тем, как камешек опускается и поднимается вместе с их животом в такт дыханию. Когда такая короткая практика делается несколько раз в течение дня, за неделю у каждого ребенка в общей сложности набирается 90 минут медитации.
Развитие нейронных сетей
Долговременные изменения нейронных связей происходят при различных болезнях (психических и неврологических — шизофрения, аутизм, эпилепсия, болезнях Хантингтона, Альцгеймера и Паркинсона). Синаптические связи и внутренние свойства нейронов изменяются, что приводит к нарушению работы нервной системы.
За развитие синаптических связей отвечает активность нейронов. «Используй или потеряешь» — принцип, лежащий в основе нейронных сетей мозга. Чем чаще «действуют» нейроны, тем больше между ними связей, чем реже, тем меньше связей. Когда нейрон теряет все свои связи, он погибает.
Некоторые авторы высказывают и другие идеи, которые отвечают за регуляцию развития нейронных сетей. M. Butz связывает образование новых синапсов с тенденцией мозга поддерживать «привычный» уровень активности.
Когда средний уровень активности нейронов падает (например, вследствие травмы), нейроны строят новые контакты, с количеством синапсов растет активность нейронов. Верно и обратное: как только уровень активности становится больше привычного уровня, количество синаптических соединений уменьшается. Подобные формы гомеостаза часто встречаются в природе, например, при регуляции температуры тела и уровня сахара в крови.
М. Бутс M. Butz отметил:
…формирование новых синапсов обусловлено стремлением нейронов поддерживать заданный уровень электрической активности…
Генри Маркрам, который участвует в проекте по созданию нейронной симуляции мозга, подчеркивает перспективы развития отрасли для изучения нарушения, восстановления и развития нейронных связей. Группа исследователей уже оцифровала 31 тысячу нейронов крысы. Нейронные связи мозга крысы представлены в видео ниже.
Сколько нейронным сетям еще до человеческого мозга?
В некоторых аспектах, нейронная сеть уже превосходит человеческий мозг – это запоминание информации и быстродействие, ее обработка. Однажды запомнив данные, нейросеть навсегда отложит их в своей памяти.
Что касается качества обработки информации, то нейросеть еще не дотягивает до уровней человеческого мозга. С каждым годом, этот показатель улучшается, но достичь или превзойти человека – вопрос на десятилетия продуктивного труда. Несовершенство нейронной сети тоже играет немаловажную роль. Типов сети сделано достаточно много и каждый отвечает за тот или иной аспект деятельности. Естественная нейросеть – одна и она взаимодействует как единый механизм, чего на практике достичь искусственно очень и очень тяжело.
Нейропластичность
Развитие нейронных связей в головном мозге сопряжено с созданием новых синапсов и модификацией существующих. Возможность модификаций обусловлена синаптической пластичностью — изменением «мощности» синапса в ответ на активацию рецепторов на постсинаптической клетке.
Человек может запоминать информацию и обучаться благодаря пластичности мозга. Нарушение нейронных связей головного мозга вследствие черепно-мозговых травм и нейродегенеративных заболеваний благодаря нейропластичности не становится фатальным.
Нейропластичность обусловлена необходимостью изменяться в ответ на новые условия жизни, но она может как решать проблемы человека, так и создавать их. Изменение мощности синапса, например, при курении — это тоже отражение пластичности мозга. От наркотиков и обсессивно-компульсивного расстройства так сложно избавиться именно из-за неадаптивного изменения синапсов в нейронных сетях.
На нейропластичность большое влияние оказывают нейротрофические факторы. Н. В. Гуляева подчеркивает, что различные нарушения нейронных связей происходят на фоне снижения уровней нейротрофинов. Нормализация уровня нейротрофинов приводит к восстановлению нейронных связей головного мозга.
Все эффективные лекарства, используемые для лечения болезней мозга, независимо от их структуры, если они эффективны, они тем или иным механизмом нормализуют локальные уровни нейротрофических факторов.
Оптимизация уровней нейротрофинов пока не может осуществляться путем прямой их доставки в мозг. Зато человек может опосредованно влиять на уровни нейротрофинов через физические и когнитивные нагрузки.
Эпоха
При инициализации нейронной сети эта величина устанавливается в 0 и имеет потолок, задаваемый вручную. Чем больше эпоха, тем лучше натренирована сеть и соответственно, ее результат. Эпоха увеличивается каждый раз, когда мы проходим весь набор тренировочных сетов, в нашем случае, 4 сетов или 4 итераций.
Важно
не путать итерацию с эпохой и понимать последовательность их инкремента. Сначала n раз увеличивается итерация, а потом уже эпоха и никак не наоборот. Другими словами, нельзя сначала тренировать нейросеть только на одном сете, потом на другом и тд. Нужно тренировать каждый сет один раз за эпоху. Так, вы сможете избежать ошибок в вычислениях.
Физические нагрузки
Обзоры исследований показывают, что упражнения улучшают настроение и познавательные способности. Данные свидетельствуют о том, что эти эффекты обусловлены изменением уровня нейротрофического фактора (BDNF) и оздоровлением сердечно-сосудистой системы.
Высокие уровни BDNF были связаны с лучшими показателями пространственных способностей, эпизодической и вербальной памяти. Низкий уровень BDNF, особенно у пожилых людей, коррелировал с атрофией гиппокампа и нарушениями памяти, что может быть связано с когнитивными проблемами, возникающими при болезни Альцгеймера.
Изучая возможности по лечению и профилактике Альцгеймера, исследователи часто говорят о незаменимости физических упражнений для людей. Так, исследования показывают, что регулярная ходьба влияет на размер гиппокампа и улучшает память.
Физические нагрузки увеличивают скорость нейрогенеза. Появление новых нейронов — важное условие для переучивания (приобретения нового опыта и стирания старого).
На что не тратить время
Витамины и добавки без обследований и назначения врача
Считается, что усиленный прием магния и холина может улучшить нейропластичность. В теории это так, но это касается только людей, у которых уровни этих элементов угрожающе низкие.
Не назначайте себе витамины и добавки без анализов, простых изменений в рационе и общения с врачом.
Классическая музыка
Есть много исследований, которые показывают, что классическая музыка влияет на то, как мы учимся и думаем.
Вместе с тем ученые утверждают, что самый лучший эффект на мозг оказывает любимая музыка, которая держит нас в состоянии «потока». Если это не Бах и не Моцарт — не мучайте себя.
Когнитивные нагрузки
Нейронные связи головного мозга развиваются, когда человек находится в обогащенной стимулами среде. Новый опыт — ключ к увеличению нейронных связей.
Новый опыт — это конфликт, когда проблема не решается теми средствами, которые уже есть у мозга. Поэтому ему приходится создавать новые связи, новые шаблоны поведения, что связано с увеличением плотности шипиков, количества дендритов и синапсов.
Обучение новым навыкам приводит к образованию новых шипиков и дестабилизации старых соединений шипиков с аксонами. Человек вырабатывает новые привычки, а старые исчезают. Некоторые исследования связывают когнитивные расстройства (СДВГ, аутизм, умственную отсталость) с отклонениями в развитии шипиков.
Шипики очень пластичны. Количество, форма и размер шипиков связаны с мотивацией, обучением и памятью.
Время, требующееся на изменения их формы и размера, измеряется буквально в часах. Но это значит также, что настолько же быстро новые соединения могут исчезать. Поэтому лучше всего отдавать предпочтение кратким, но частым когнитивным нагрузкам, чем длительным и редким.
Концепция «мышления роста»
Только признавая эту концепцию, есть смысл читать дальше и выбирать упражнения для нейропластичности по душе.
Концепция мышления роста принимает, что врожденные навыки и способности могут развиваться и улучшаться.
Человек с мышлением роста считает, что может стать умнее, лучше и опытнее благодаря постоянным усилиям, а это именно то, что предполагает нейропластичность.
Весь бизнес-контент в удобном формате. Интервью, кейсы, лайфхаки корп. мира — в нашем телеграм-канале. Присоединяйтесь!
Прежде чем перейти к практическому развитию нейронных связей, важно признать, что «зарядить» мозг и получить новые навыки можно в любом возрасте.
Прежде всего, избавьтесь от вредных убеждений:
- то что я делаю, нуждается в постоянном одобрении
- если я начну и брошу, меня не будут воспринимать всерьез
- после 20-30-45 уже поздно что-либо начинать
- дети как губки, а у меня вечность уйдет на самое минимальное развитие
- всё это займет слишком много времени, а у меня и минуты нет
- ничего уже не изменить.
И примените полезные:
- не важно сколько мне лет, важно чему я уделяю внимание
- я делаю это для себя
- мне повезло, что ученые узнали и рассказали о развитии мозга, нужно этим воспользоваться;
- я попробую и посмотрю
- нет ничего, что помешало бы мне попробовать.
Образ жизни
Диета может повышать когнитивные способности и защищать нейронные связи головного мозга от повреждений, содействовать их восстановлению после болезней и противодействовать последствиям старения. На здоровье мозга, по всей видимости, оказывают положительное влияние:
— омега-3 (рыба, семена льна, киви, орехи);
— куркумин (карри);
— флавоноиды (какао, зеленый чай, цитрусовые, темный шоколад);
— витамины группы В;
— витамин Е (авокадо, орехи, арахис, шпинат, пшеничная мука);
— холин (куриное мясо, телятина, яичные желтки).
Большинство перечисленных продуктов опосредованно влияют на нейротрофины. Позитивное влияние диеты усиливается при наличии физических упражнений. Кроме того, умеренное ограничение количества калорий в рационе стимулирует экспрессию нейротрофинов.
Для восстановления и развития нейронных связей полезно исключение насыщенных жиров и рафинированного сахара. Продукты с добавленными сахарами снижают уровни нейротрофинов, что негативно сказывается на нейропластичности. А высокое содержание насыщенных жиров в еде даже тормозит восстановление мозга после черепно-мозговых травм.
Среди негативных факторов, затрагивающих нейронные связи: курение и стресс. Курение и длительный стресс в последнее время ассоциируют с нейродегенеративными изменениями. Хотя непродолжительный стресс может быть катализатором нейропластичности.
Функционирование нейронных связей зависит и ото сна. Возможно, даже больше, чем от всех остальных перечисленных факторов. Потому что сам по себе сон — «это цена, которую мы платим за пластичность мозга» (Sleep is the price we pay for brain plasticity. Ch. Cirelli — Ч. Цирелли).
Схема и концепция работы
Представить принцип работы нейросети можно, не имея конкретных навыков. Общая схема или алгоритм следующий: — на входной слой нейронов происходит поступление определённых данных; — информация передаётся с помощью синапсов следующему слою, причём каждый синапс имеет собственный коэффициент веса, а любой следующий нейрон способен иметь несколько входящих синапсов; — данные, полученные следующим нейроном, — это сумма всех данных для нейронных сетей, которые перемножены на коэффициенты весов (каждый на свой); — полученное в итоге значение подставляется в функцию активации, в результате чего происходит формирование выходной информации; — информация передаётся дальше до тех пор, пока не дойдёт до конечного выхода.
Как мы знаем, 1-й запуск нейросети не даст верных результатов, ведь она ещё не натренирована. Если мы говорим о понятии функции активации, то эта функция используется в целях нормализации входных данных. Этих функций бывает много, но хотелось бы выделить основные, имеющие самое широкое распространение. Главное отличие — диапазон значений, где они функционируют: — линейная функция f(x) = x. Является наиболее простой из всех, должна применяться лишь для тестирования созданной нейросети либо передачи данных в исходной форме; — сигмоид — более распространённая функция активации. Диапазон значений — от нуля до единицы. Также её называю логистической функцией; — гиперболический тангенс. Метод нужен для охвата также и отрицательных значений. Когда их применение не предусмотрено, гиперболический тангенс не нужен.
Остаётся сказать, что для задания нейросети данных для дальнейшего оперирования ими, потребуются тренировочные сеты.
Резюме
Как улучшить нейронные связи головного мозга? Положительное влияние оказывают:
- физические упражнения;
- задачи и трудности;
- полноценный сон;
- сбалансированная диета.
Негативно воздействуют:
- жирная пища и сахар;
- курение;
- длительный стресс.
Мозг чрезвычайно пластичен, но «лепить» из него что-то очень сложно. Он не любит тратить энергию на бесполезные вещи. Быстрее всего развитие новых связей происходит в ситуации конфликта, когда человек не способен решить задачу известными методами.
Ошибка
Ошибка — это процентная величина, отражающая расхождение между ожидаемым и полученным ответами. Ошибка формируется каждую эпоху и должна идти на спад. Если этого не происходит, значит, вы что-то делаете не так. Ошибку можно вычислить разными путями, но мы рассмотрим лишь три основных способа: Mean Squared Error (далее MSE), Root MSE и Arctan. Здесь нет какого-либо ограничения на использование, как в функции активации, и вы вольны выбрать любой метод, который будет приносить вам наилучший результат. Стоит лишь учитывать, что каждый метод считает ошибки по разному. У Arctan, ошибка, почти всегда, будет больше, так как он работает по принципу: чем больше разница, тем больше ошибка. У Root MSE будет наименьшая ошибка, поэтому, чаще всего, используют MSE, которая сохраняет баланс в вычислении ошибки.
MSE
Root MSE
Arctan
Принцип подсчета ошибки во всех случаях одинаков. За каждый сет, мы считаем ошибку, отняв от идеального ответа, полученный. Далее, либо возводим в квадрат, либо вычисляем квадратный тангенс из этой разности, после чего полученное число делим на количество сетов.
