Исследование и декомпозиция процессов обработки информации мозгом человека и внедрение изученных механизмов в компьютерные системы

Проблема хранения цифровой информации с каждым годом становится всё более масштабной в связи с увеличением числа пользователей цифровых устройств и количества создаваемой информации. При этом вся информация хранится на разных устройствах, в разных концах планеты, иногда в разных сетях. Контролировать весь этот поток данных не представляется возможным ввиду отсутствия свободных вычислительных мощностей для этого процесса. В связи с этим необходимо разработать технологию распределения и приоритизации сохранения всей поступающей информации.

Человеческий мозг постоянно получает информацию от органов чувств – зрения, слуха, обоняния, осязания, вкуса. При нормальной работе мозга запоминается лишь некоторая часть из всей этой информации. Большинство информационных потоков проходят сначала через спинной мозг, и лишь потом идут в головной мозг; некоторая информация попадает напрямую в головной мозг. Несмотря на то что спинной мозг является лишь концентратором нервных окончаний, он играет важную роль в процессе запоминания информации. Механизмы его работы также необходимо проанализировать для получения полной схемы процесса обработки информации.

Исследование и декомпозиция процессов обработки информации мозгом человека ...

Капитонов Даниил Дмитриевич аспирант, Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет); исполнительный директор, АО «Россельхозбанк», Москва. Сфера научных интересов: интеллектуальный анализ больших данных в системах поддержки принятия решений. Автор 11 опубликованных научных работ. SPIN-код: 9487-0828, AuthorID: 1195025.

Окончательной обработкой всей поступающей информации занимается головной мозг. Нервные импульсы, проходя через отделы головного мозга, в итоге сохраняются или отбрасываются. Последовательность активации основных отделов головного мозга во время обработки информации также необходимо проанализировать и выявить основные механизмы определения важности получаемой информации.

Обсуждение

Целью работы является изучение и обобщенная декомпозиция процессов обработки информации, происходящих в головном мозге человека в возрасте от трех лет, не имеющего каких-либо отклонений от нормы. Декомпозированные алгоритмы обработки информации применялись при разработке «Прототипа системы моделирования процессов обработки и хранения визуальной и слуховой информации человеком» [1].

Принимая импульсы от нервных окончаний, спинной мозг занимается не только их пересылкой в головной мозг, который обрабатывает все эти импульсы, но и фильтрацией, чтобы снизить нагрузку на головной мозг; специальный отдел спинного мозга способен отфильтровывать незначительные сигналы [2; 3]. Механизм работает таким образом, что постоянно идущий слабый сигнал может быть отброшен. Аналогичным образом обрабатываются все сигналы, кроме болевых. С болевыми сигналами нервная система работает иначе [4], так как они могут быть опасны для организма и, соответственно, имеют приоритет.

Одна из ключевых функций спинного мозга – рефлекторная; она является ответной реакцией организма на раздражение нервной системы: кашель, чихание, зевание, боль. Рефлексы – это важный показатель нормальной работы спинного мозга и организма в целом.

Спинной мозг является шиной нервных импульсов, который собирает все импульсы и направляет их напрямую в мозг после применения алгоритмов фильтрации, что необходимо для оптимизации отправляемых в мозг импульсов. Также спинной мозг может самостоятельно принимать какие-либо решения при получении импульсов, источник которых может нанести вред организму, при этом он является ведомым, и его действия могут полностью контролироваться мозгом [5].

Проведенный анализ показал, что рефлексы, – несмотря на то, что они бывают разных видов и могут возникать как в спинном, так и в головном мозге, – очень похожи на примитивную обработку данных формата «если – то, иначе – то». То есть имеются либо врожденные рефлексы, либо выученные по ходу жизни организма последовательности действий.

На основании проведенного анализа была реализована схема обработки информации спинным мозгом с учетом фильтрации импульсов и рефлексов (Рисунок 1).

Рисунок 1. Схема передачи и обработки нервных импульсов спинным мозгом Источник: здесь и далее схемы составлены автором.

В результате разработки схемы передачи нервных импульсов спинным мозгом возникла необходимость уточнения функции рефлекса. При обработке сигнала может быть выбрано одно из трех действий, применимых к этому сигналу: 1) отправить на обработку в головной мозг; 2) отбросить сигнал или 3) обработать, минуя область принятия решений головного мозга [6]. Итоговую схему с учетом проведенного анализа можно увидеть на Рисунке 2.

Рисунок 2. Обобщенная схема работы спинного мозга

Исследование и декомпозиция процессов обработки информации мозгом человека ...

Декомпозиция процессов обработки информации в головном мозге

Изучив работу отделов спинного мозга и имея обобщенные алгоритмы обработки импульсов, поступающих в головной мозг, необходимо провести анализ работы отделов головного мозга, которые первыми взаимодействуют с этими и другими импульсами.

Мозжечок [7] – это отдел головного мозга, который отвечает за координацию движений, мышечный тонус и управляет равновесием. Для выполнения своей работы мозжечку требуется получать сенсорную информацию, которая идет от спинного мозга [8], также он получает эфферентную информацию от двигательных центров и оценивает текущее состояние положений частей тела в пространстве. Мозжечок в процессе развития организма учится «выполнять» различные движения для поддержания организма в равновесии, мелкой моторики, ходьбы и др., но он запоминает лишь параметры этих движений, к примеру, движение руки вверх, поднятие ноги и др.

Базальные ганглии [9] – отдел головного мозга, по своему функционалу похожий на мозжечок; являются вспомогательной двигательной системой, которая функционирует в тесной связи с корой больших полушарий и кортикоспинальной системой двигательного контроля. Большинство входных и выходных сигналов базальные ганглии получают и отдают в кору больших полушарий. Их функция состоит в отправке сигналов для выполнения сложных двигательных программ, таких как письмо, танцы, резка бумаги ножницами и др., то есть на основе отдельных движений, которые «знает» мозжечок, формируется комплекс движений (Рисунок 3).

Рисунок 3. Обобщенная схема работы мозжечка и базальных ганглиев

Гиппокамп [10] – это часть лимбической системы головного мозга и гиппокамповой формации. Он участвует в формировании эмоций и консолидации памяти, переносе информации из кратковременной памяти в долговременную и связан со всеми отделами головного мозга, в которые передается и распределяется информация. Основная его функция – принятие решений о сохранении или отбрасывании информации. По ходу его работы часть информации переходит в долговременную память, а другая часть отфильтровывается, при этом эмоциональная память сохраняется в приоритете (Рисунок 4). Информация может быть как комплексной, зрительной, эмоциональной, звуковой, про- странственной, так и нет. Важной его особенностью является то, что он также помогает человеку воспринимать 3D-мир, находить дорогу домой и в целом ориентироваться в пространстве, он «строит» своеобразную карту местности, по которой человек передвигается.

Рисунок 4. Обобщенная схема работы гиппокампа

Кора головного мозга – слой серого вещества толщиной 1,3…4,5 мм, расположенный по периферии полушарий большого мозга и покрывающий их. Мозг, как известно, состоит из двух полушарий, каждое из которых контролирует противоположную от себя часть тела: левое полушарие – правую часть, правое полушарие – левую. Полушария делятся на множество областей, каждая из которых принимает сигналы от различных сенсорных источников [11]. В каждую из этих зон поступают различные сенсорные сигналы, которые затем обрабатываются и отправляются дальше (Рисунок 5), чтобы либо запомнить эту информацию, либо отбросить ее.

Рисунок 5. Обобщенная схема обработки сенсорных сигналов корой больших полушарий

Также кора больших полушарий [12; 13] отвечает за долговременную память, в определенных ее отделах хранится информация, распределенная гиппокампом. Там же, в коре больших полушарий, происходит процесс мышления. Поступающая информация проходит сортировку в гиппокампе, который в зависимости от приоритетов каждого из типов данных сохраняет либо весь входящий поток, либо только данные определенных типов, либо отбрасывает ее (Рисунок 6).

Исследование и декомпозиция процессов обработки информации мозгом человека ...

Рисунок 6. Работа гиппокампа с информацией различных типов

Заключение

Выполнена обобщенная декомпозиция процессов обработки информации в головном и спинном мозге. Выделены функции коры головного мозга, гиппокампа, базальных ганглий, мозжечка, задействованные при обработке информации. Предложенные алгоритмы обработки информации в дальнейшем могут применяться при разработке системы моделирования процессов обработки и хранения визуальной и слуховой информации человеком.