Интеллектика. Как работает ваш мозг - Константин Шереметьев

Область отражения – небольшое поле около самого животного. Интересен сам принцип отражения. На любой стимул реагирует вся нервная система целиком. Выделения объектов нет. Каждый раздражитель воспринимается или как еда, или как враг. Еда переваривается. От врага гидра прячется, сжимаясь в комок.

Есть суммационный рефлекс, при котором разные стимулы повышают общую реакцию, и привыкание, при котором часто повторяемый сигнал снижает общую реакцию.

Интересным подходом к организации нервной системы отличаются мшанки Cristatella. Это похожие на гидр мелкие водные животные, которые живут колониями. Каждая особь имеет один ганглий[1] и отходящие от него нейроны. При этом они производят общий мышечный слой и соединяют свои нервные системы в одну. Колония мшанок начинает реагировать как единый организм. При раздражении в одной точке вся колония начинает двигаться.

Противоположное поведение демонстрируют морские звезды, относящиеся к типу иглокожих. Нижнюю поверхность звезды устилает множество щупалец. Они ощупывают дно и перемещаются к пище. Если только один конец морской звезды обнаружил пищу, то вся звезда перемещается в этом направлении. Но возможен вариант, что пища одновременно обнаружена разными концами звезды. Тогда звезда начинает стремиться в разные стороны, и ее разрывает пополам. Впрочем, для морской звезды это не страшно, из этих половинок образуется две новых звезды.

Кишечнополостные изобрели нейрон – универсальную клетку для реагирования. Изобретение оказалось на редкость удачным. Нейрон с некоторыми видоизменениями позже взяли на вооружение все последующие виды организмов, включая человека.

Нейрон удобен тем, что позволяет запросто строить нервные сети любой сложности, а на их основе легко отражать все более сложные элементы окружающей среды.

Системы отражения червей

Вдоль всего тела дождевого червя тянутся две параллельные цепочки нервных ганглиев. Две пары самых первых – наиболее крупные. Их активность влияет на активность остальной нервной системы. Благодаря светочувствительным клеткам кожи черви реагируют на свет.

Дождевые черви уже имеют сложные врожденные схемы поведения – инстинкты. Они роют норки и затаскивают в них кусочки растений. В светлое время суток черви проводят время в норке. В сумерки черви цепляются задним концом тела за край норки, а передним концом обследуют поверхность вокруг норы и затаскивают туда листья и мелкие камушки. Листьями дождевой червь питается, а камушки использует для укрепления норки.

Если червь покинет норку, то найти ее не сможет и будет рыть новую. Образовывать условные рефлексы дождевые черви не могут.

У планарий (плоских червей) также есть набор ганглиев, но светочувствительные клетки сосредоточены только в глазных ямках, расположенных в головном отделе. Планарии живут в воде, избегают света и предпочитают двигаться против течения.

Планарии используют экзотические методы защиты. Планария терриколя в случае опасности сама себя разрывает на куски. Через несколько часов каждый из 10–20 кусков регенерирует в целого червя.

Если планария будет долго голодать, то она начинает пожирать себя. Сначала половые органы, потом мускулы. Но ганглии она есть не будет.

При попытке выработать у планарий условный рефлекс на световой стимул и электрический удар выяснилось, что у них просто усиливается чувствительность к любому стимулу – поэтому можно считать, что черви не способны к обучению.

Нервная система червей не требует целостности организма и также может разделяться на части. Черви палоло живут на морском дне у побережий Фиджи и Самоа. Для метания икры червь посылает на поверхность только заднюю часть своего тела. Эта часть тела отращивает глаза и ножки, всплывает на поверхность, лопается и разбрасывает икру.

Изучение червей показывает, что они имеют набор одинаковых групп нейронов, которые соединяются врожденными связями. Например, нематода Caenorhabditis elegans имеет всегда 302 нейрона. Нематоды делают ставку не на нейронную сеть, а на быстрое размножение. Самки нематод откладывают до четверти миллиона яиц в сутки. В теплой и сырой почве количество нематод может достигать до 2 миллионов на кубический дециметр. Этот червь интересен еще тем, что для него была детально определена структура ДНК, и выяснилось, что большинство генов человека уже содержится в геноме этого червя.

В целом, система отражения червей – это заданная программа поведения на определенные стимулы. И хотя поведение червей достаточно гибко, приспособиться к новым условиям и чему-либо научиться они не могут.

Впрочем, для их образа жизни это не очень важно. Гигантский трубчатый червь устроился лучше всех. Он достигает размера около 3 метров и селится около горячих источников. Можно сказать, живет на курорте. У него нет даже рта и пищеварительной системы. Он питается отходами бактерий, которые живут у него внутри. Зачем этому червю чему-либо учиться?

Черви «догадались», что нейронная сеть нуждается в координации. Для координации они завели нервные ганглии. Именно в ганглиях происходит отбор валентной информации, и они же решают, какова должна быть реакция организма на стимулы.

С этого момента природа решила, что идет в правильном направлении, поэтому дальше она сосредоточилась на работе с ганглиями.

Системы отражения хордовых

Первые хордовые появились на Земле еще в кембрийском периоде, около 570 миллионов лет назад. В этот момент истории Земли появились многоклеточные, и природа принялась массово экспериментировать с различными формами жизни. На протяжении кембрийского периода уровень моря неоднократно повышался и понижался. При этом происходила резкая смена условий жизни, и целые виды целиком вымирали. Необходимо было выработать принципиально новые системы отражения, которые позволили бы организмам выживать в столь быстро меняющихся условиях.

В первую очередь, необходимо было выделить нервную систему в специальный защищенный орган. Так появилась жесткая хрящевая струна – хорда, которая предохраняла нервную трубку, от которой отходят многочисленные нервы. Хорда и по сей день появляется у зародышей всех позвоночных, включая человека.

У хордовых нервная система получает полное управление организмом, а сама нервная система обладает выраженной иерархией. Следующим шагом станет появление головного мозга (у первых хордовых мозга еще не было).

В настоящее время существует единственный представитель хордовых, который еще не обзавелся головным мозгом – это ланцетник (рис. 6). Изучение этого животного показало, что оно уже может организовывать устойчивые условные рефлексы, которые сохраняются в течение суток. Более того, его условные рефлексы вырабатываются именно на определенные виды раздражителей и сопровождаются двигательными реакциями.

Рис. 6. Ланцетник

Первые хордовые уже «поняли»: инстинкты – это хорошо, но учиться тоже нужно. Для этого нужно выделять те сигналы, которые сопровождают валентные стимулы, и реагировать на них.

Уровни организации нервной системы

Теперь мы можем выделить основные приобретения нервной системы до появления мозга.

Инстинкт. Живой организм появляется на свет с набором готовых схем реагирования на стимулы, который генетически заложен в строении нервной системы.

• Реагирование. Любой валентный сигнал попадает в нервную систему, и результатом его обработки является двигательная реакция.

• Привыкание. Снижение валентности повторяемых сигналов. Часто повторяемый сигнал не опасен, и реакция на него уменьшается.

• Иерархия нервных цепей. Сравнение валентностей различных каналов передачи информации. Сигнал, проходящий по более важному органу, перекрывает не очень важный сигнал.

• Цефализация. Выделение ряда головных ганглиев в качестве центральных. Это очень важно для подвижных животных, так как при перемещении нужно быстро определить, что ждет впереди, и среагировать на это.

• Условный рефлекс. Постоянное сочетание невалентного сигнала с валентным повышает валентность этого сигнала.

Альтернативная ветвь эволюции

Может показаться, что врожденные модели поведения, записанные в определенных нейронных сетях, весьма примитивны, но сравнение с другой ветвью эволюции показывает, что это не так.

В случае с членистоногими природа выбрала следующий подход развития систем отражения. Отдельная особь является частью некоторой семьи, поэтому системой отражения обладает семья в целом, а каждая особь выполняет в семье набор заранее определенных функций. Эти функции записаны генетически в виде специальных программ поведения, которые включают и средства коммуникации между особями.