Типы нейронов и их функции (различные классификации)

Математическая модель

Математически нейрон представляет собой взвешенный сумматор, единственный выход которого определяется через его входы и матрицу весов следующим образом:

y=f(u){\displaystyle y=f(u)}, где u=∑i=1nwixi+wx{\displaystyle u=\sum _{i=1}^{n}w_{i}x_{i}+w_{0}x_{0}}

Здесь xi{\displaystyle x_{i}} и wi{\displaystyle w_{i}} — соответственно сигналы на входах нейрона и веса входов, функция u называется индуцированным локальным полем, а f(u) — передаточной функцией. Возможные значения сигналов на входах нейрона считают заданными в интервале ,1{\displaystyle }. Они могут быть либо дискретными (0 или 1), либо аналоговыми. Дополнительный вход x{\displaystyle x_{0}} и соответствующий ему вес w{\displaystyle w_{0}} используются для инициализации нейрона. Под инициализацией подразумевается смещение активационной функции нейрона по горизонтальной оси, то есть формирование порога чувствительности нейрона. Кроме того, иногда к выходу нейрона специально добавляют некую случайную величину, называемую сдвигом. Сдвиг можно рассматривать как сигнал на дополнительном, всегда нагруженном, синапсе.

Нейроглия

Невроны не способны делиться, потому и появилось утверждение, что нервные клетки не восстанавливаются. Именно поэтому их следует оберегать с особой тщательностью. С основной функцией «няни» справляется нейроглия. Она находится между нервными волокнами.

Эти мелкие клетки отделяют нейроны друг от друга, удерживают их на своем месте. У них длинный список функций. Благодаря нейроглии сохраняется постоянная система установленных связей, обеспечивается расположение, питание и восстановление нейронов, выделяются отдельные медиаторы, фагоцитируется генетически чужое.

Таким образом, нейроглия выполняет ряд функций:

1. опорную;
2. разграничительную;
3. регенераторную;
4. трофическую;
5. секреторную;
6. защитную и т.д.

В ЦНС нейроны составляют серое вещество, а за границами мозга они скапливаются в специальные соединения, узлы – ганглии. Дендриты и аксоны создают белое вещество. На периферии именно благодаря этим отросткам строятся волокна, из которых и состоят нервы.

Охватывают ли эти классификации все типы существующих нейронов??

Мы можем утверждать, что почти все нейроны нервной системы могут быть классифицированы по категориям, которые мы предлагаем здесь, особенно самые широкие. Тем не менее, необходимо указать на огромную сложность нашей нервной системы и все достижения, которые еще предстоит обнаружить в этой области.

До сих пор проводятся исследования, направленные на выявление наиболее тонких различий между нейронами, чтобы узнать больше о функционировании мозга и связанных с ним заболеваниях..

Нейроны отличаются друг от друга структурными, генетическими и функциональными аспектами, а также тем, как они взаимодействуют с другими клетками

Даже важно знать, что среди ученых нет единого мнения при определении точного количества типов нейронов, но это может быть более 200 типов

Очень полезным ресурсом, чтобы узнать больше о клеточных типах нервной системы, является Neuro Morpho, база данных, в которой различные нейроны реконструируются в цифровом виде и могут быть исследованы в зависимости от вида, типа клеток, областей мозга и т. Д. (Jabr, 2012)

Таким образом, классификация нейронов в разных классах значительно обсуждалась с самого начала современной нейробиологии. Тем не менее, этот вопрос может быть решен мало-помалу, так как экспериментальные достижения ускоряют темпы сбора данных о нейронных механизмах. Таким образом, каждый день мы становимся на один шаг ближе к познанию совокупности функций мозга..

Классификация нейронов

Нервные клетки разнообразны как таковые, поэтому нейроны можно классифицировать, отталкиваясь от разных их параметров и атрибутов, а именно:

• Форма тела. В разных отделах мозга располагаются нейроциты разной формы сомы: звездчатые;
• веретеновидные;
• пирамидные (клетки Беца).

По количеству отростков:

• униполярные: имеют один отросток;

биполярные: на теле располагаются два отростка;
мультиполярные: на соме подобных клеток располагаются три или более отростков.
Контактные особенности поверхности нейрона:

• аксо-соматический. В таком случае аксон контактирует с сомой соседней клетки нервной ткани;

аксо-дендритический. Данный тип контакта предполагает соединение аксона и дендрита;
аксо-аксональный. Аксон одного нейрона имеет связи с аксоном другой нервной клетки.

Виды нейронов

Для того чтоб осуществлять осознанные движения нужно, чтобы импульс, образовавшийся в двигательных извилинах головного мозга смог достичь необходимых мышц. Таким образом, выделяют следующие виды нейронов: центральный мотонейрон и таковой периферический.

Первый вид нервных клеток берет свое начало у передней центральной извилины, расположенной спереди от самой большой борозды мозга – борозды Роланда, а именно от пирамидных клеток Беца. Далее аксоны центрального нейрона углубляются в полушария и проходят сквозь внутреннюю капсулу мозга.

Периферические же двигательные нейроциты образованы двигательными нейронами передних рогов спинного мозга. Их аксоны достигают различных образований, таких как сплетения, спинномозговые нервные скопления, и, главное – мышц-исполнителей.

Моделирование формальных логических функций

Нейрон с пороговой передаточной функцией может моделировать различные логические функции.

f(u)={1if u⩾Telse{\displaystyle f(u)={\begin{cases}1&{\text{if }}u\geqslant T\\0&{\text{else}}\end{cases}}}, где u=∑i=1nwixi+{\displaystyle u=\sum _{i=1}^{n}w_{i}x_{i}+0}

Таблицы иллюстрируют, каким образом можно, задав веса входных сигналов и порог чувствительности, заставить нейрон выполнять конъюнкцию (логическое «И») и дизъюнкцию (логическое «ИЛИ») над входными сигналами, а также логическое отрицание входного сигнала. Этих трех операций достаточно, чтобы смоделировать абсолютно любую логическую функцию любого числа аргументов.

Классификация

Структурная классификация

На основании числа и расположения дендритов и аксона нейроны делятся на безаксонные, униполярные нейроны, псевдоуниполярные нейроны, биполярные нейроны и мультиполярные (много дендритных стволов, обычно эфферентные) нейроны.

Безаксонные нейроны — небольшие клетки, сгруппированы вблизи спинного мозга в межпозвоночных ганглиях, не имеющие анатомических признаков разделения отростков на дендриты и аксоны. Все отростки у клетки очень похожи. Функциональное назначение безаксонных нейронов слабо изучено.

Униполярные нейроны — нейроны с одним отростком, присутствуют, например в сенсорном ядре тройничного нерва в среднем мозге. Многие морфологи считают, что униполярные нейроны в теле человека и высших позвоночных не встречаются.

Биполярные нейроны — нейроны, имеющие один аксон и один дендрит, расположенные в специализированных сенсорных органах — сетчатке глаза, обонятельном эпителии и луковице, слуховом и вестибулярном ганглиях.

Мультиполярные нейроны — нейроны с одним аксоном и несколькими дендритами. Данный вид нервных клеток преобладает в центральной нервной системе.

Псевдоуниполярные нейроны — являются уникальными в своём роде. От тела отходит один отросток, который сразу же Т-образно делится. Весь этот единый тракт покрыт миелиновой оболочкой и структурно представляет собой аксон, хотя по одной из ветвей возбуждение идёт не от, а к телу нейрона. Структурно дендритами являются разветвления на конце этого (периферического) отростка. Триггерной зоной является начало этого разветвления (то есть находится вне тела клетки). Такие нейроны встречаются в спинальных ганглиях.

Функциональная классификация

По положению в рефлекторной дуге различают афферентные нейроны (чувствительные нейроны), эфферентные нейроны (часть из них называется двигательными нейронами, иногда это не очень точное название распространяется на всю группу эфферентов) и интернейроны (вставочные нейроны).

Афферентные нейроны (чувствительный, сенсорный, рецепторный или центростремительный). К нейронам данного типа относятся первичные клетки органов чувств и псевдоуниполярные клетки, у которых дендриты имеют свободные окончания.

Эфферентные нейроны (эффекторный, двигательный, моторный или центробежный). К нейронам данного типа относятся конечные нейроны — ультиматные и предпоследние — не ультиматные.

Ассоциативные нейроны (вставочные или интернейроны) — группа нейронов осуществляет связь между эфферентными и афферентными.

Секреторные нейроны — нейроны, секретирующие высокоактивные вещества (нейрогормоны). У них хорошо развит комплекс Гольджи, аксон заканчивается аксовазальными синапсами.

Морфологическая классификация

Морфологическое строение нейронов многообразно. При классификации нейронов применяют несколько принципов:

• учитывают размеры и форму тела нейрона;
• количество и характер ветвления отростков;
• длину аксона и наличие специализированных оболочек.

По форме клетки, нейроны могут быть сферическими, зернистыми, звездчатыми, пирамидными, грушевидными, веретеновидными, неправильными и т. д. Размер тела нейрона варьирует от 5 мкм у малых зернистых клеток до 120—150 мкм у гигантских пирамидных нейронов.

По количеству отростков выделяют следующие морфологические типы нейронов:

• униполярные (с одним отростком) нейроциты, присутствующие, например, в сенсорном ядре тройничного нерва в среднем мозге;
• псевдоуниполярные клетки, сгруппированные вблизи спинного мозга в межпозвоночных ганглиях;
• биполярные нейроны (имеют один аксон и один дендрит), расположенные в специализированных сенсорных органах — сетчатке глаза, обонятельном эпителии и луковице, слуховом и вестибулярном ганглиях;
• мультиполярные нейроны (имеют один аксон и несколько дендритов), преобладающие в ЦНС.

Связь между нейронами

Для получения и передачи информации клетки исполнительных органов и нервной системы осуществляют посредством специальных контактов – синапсов. Ими оканчивается любой короткий и длинный отросток нейрона. Количество таких контактов может достигать нескольких тысяч для одной клетки. Их число зависит от вида и формы нейрона, его функциональности, строения, развитости нервной сети.

Точка непосредственной передачи информации – нижняя граница отростков:

1. Пресинаптическая мембрана. Она обволакивает концы нервных волокон, в строении представляет собой начало синапса.
2. Постсинаптическая мембрана. Покрывает соседние, контактные нейроны головного мозга или органы, с которыми связывается аксон.
3. Синаптическая щель. Пространство между указанными мембранами.

Через синапсы информация может проходить двумя способами – электрическим сигналом и химическим возбуждением. В большинстве случаев в строении человеческого мозга имеет место второй вариант. Вещества, которые отвечают за передачу сигналов, называются медиаторами. К ним относятся:

• некоторые аминокислоты (аспаргиновая, глутаминовая, гамма-аминомасляная, глициновая и другие);
• серотонин;
• нейропептиды;
• гистамины;
• адреналин;
• ацетилхолин.

Перечисленные вещества содержатся в пузырьках пресинаптических мембран. Во время возбуждения эти «контейнеры» объединяются в строении с мембраной, а медиаторы выделяются в пространство щели. Они связываются со специальными рецепторами, расположенными в постсинаптической оболочке. Благодаря этому меняется потенциал «принимающей» мембраны, происходит получение сигнала. Изменение заряда классифицируется на 2 группы – возбуждающие и тормозные импульсы. Они передаются по аксонам к телу нейрона, преобразуясь из химических сигналов в электрические.

https://youtube.com/watch?v=Ew8vOSXIveI

Объем памяти человека

Средний человеческий мозг имеет около 100 миллиардов нейронов (или нервных клеток) и нейроглии (или глиальные клетки), которые служат для поддержки и защиты нейронов.

Каждый нейрон может быть связан с 10 000 других нейронов, передавая сигналы друг другу через 1000 триллионов синаптических соединений, что, по некоторым оценкам, эквивалентно компьютеру с процессором со скоростью 1 триллион бит в секунду.

Оценки объема памяти человеческого мозга сильно варьируются от 1 до 1000 терабайт (для сравнения, 19 миллионов томов в Библиотеке Конгресса США представляют около 10 терабайт данных).

Примечания

1. Л. Г. Комарцова, А. В. Максимов «Нейрокомпьютеры», МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2004 г., ISBN 5-7038-2554-7
2. По аналогии с нейронами активации
3. ↑ , с. 29.
4. В работе Widrow B., Hoff M.E. Adaptive switching circuits. 1960 IRE WESTCON Conferencion Record. — New York, 1960
5. В. В. Круглов, В. В. Борисов — Искусственные нейронные сети. Теория и практика — с.11
6. ↑ В. А. Терехов — Нейросетевые системы управления — с.12-13
7. В. В. Круглов, В. В. Борисов — Искусственные нейронные сети. Теория и практика — с.14
8. В. В. Круглов, В. В. Борисов — Искусственные нейронные сети. Теория и практика — с.12
9. Очень часто в литературе можно встретить название персептрон
10. , с. 34.
11. В. В. Круглов, В. В. Борисов — Искусственные нейронные сети. Теория и практика — с.13
12. , с. 77.
13. В. В. Круглов, В. В. Борисов — Искусственные нейронные сети. Теория и практика — с.349
14. В. В. Круглов, В. В. Борисов — Искусственные нейронные сети. Теория и практика — с.348
15. Text
16. , с. 30.

А сколько нейронов в мозге у животных?

По данным Геркулано-Хаузел, мозг человека очень похож на мозг других приматов, с одной только разницей: у нас гораздо больше клеток мозга, которым нужно огромное количество энергии для питания и поддержания.

По подсчетам экспертов, примерно 25% всей энергии идет именно на поддержку этих клеток.

Если сравнивать количество нейронов в мозге человека и других представителей животного мира, разница выглядит просто огромной. Так сколько же нейронов в мозгах других животных?

Плодовая муха – 100 тысяч нейронов

Таракан – 1 миллион нейронов

Мышь – 75 миллионов нейронов

Кошка – 1 миллиард нейронов

Шимпанзе – 7 миллиардов нейронов

Слон – 23 миллиарда нейронов

История развития

Математическая модель искусственного нейрона была предложена У. Маккалоком и У. Питтсом вместе с моделью сети, состоящей из этих нейронов. Авторы показали, что сеть на таких элементах может выполнять числовые и логические операции. Практически сеть была реализована Фрэнком Розенблаттом в 1958 году как компьютерная программа, а впоследствии как электронное устройство — перцептрон. Первоначально нейрон мог оперировать только с сигналами логического нуля и логической единицы, поскольку был построен на основе биологического прототипа, который может пребывать только в двух состояниях — возбужденном или невозбужденном. Развитие нейронных сетей показало, что для расширения области их применения необходимо, чтобы нейрон мог работать не только с бинарными, но и с непрерывными (аналоговыми) сигналами. Такое обобщение модели нейрона было сделано Уидроу и Хоффом, которые предложили в качестве функции срабатывания нейрона использовать логистическую кривую.

Свойства и функции нейронов

Свойства:

• Наличие трансмембранной разницы потенциалов
  (до 90 мВ), наружная поверхность электроположительна по отношению к внутренней поверхности.
• Очень высокая чувствительность
  к некоторым химическим веществам и электрическому току.
• Способность к нейросекреции
  , то есть к синтезу и выделению особых веществ (нейромедиаторов), в окружающую среду или синаптическую щель.

Высокое энергопотребление
, высокий уровень энергетических процессов, что обуславливает необходимость постоянного притока основных источников энергии — глюкозы и кислорода , необходимых для окисления.

Функции:

• Приёмная функция
  (синапсы — точки контакта, от рецепторов и нейронов получаем информацию в виде импульса).
• Интегративная функция
  (обработка информации, в результате на выходе нейрона формируется сигнал, несущий информацию всех суммированных сигналов).
• Проводниковая функция
  (от нейрона по аксону идет информация в виде электрического тока к синапсу).
• Передающая функция
  (нервный импульс, достигнув окончание аксона , который уже входит в структуру синапса, обуславливает выделение медиатора — непосредственного передатчика возбуждения к другому нейрону или исполнительному органу).

Организм человека представляет собой сложную систему, в работе которой принимает участие множество отдельных блоков и компонентов. Внешне устройство тела видится элементарным и даже примитивным. Однако если заглянуть глубже и попытаться выявить схемы, по которым происходит взаимодействие между разными органами, то на первый план выйдет нервная система. Нейрон, являющийся основной функциональной единицей этой структуры, выступает в качестве передатчика химических и электрических импульсов. Несмотря на внешнее сходство с другими клетками, он выполняет более сложные и ответственные задачи, поддержка которых важна для психофизической деятельности человека. Для понимания особенностей данного рецептора стоит разобраться с его устройством, принципами работы и задачами.

Строение нейрона

Каждая структура в организме человека состоит из специфических тканей, присущих органу или системе. В нервной ткани – нейрон (нейроцит, нерв, неврон, нервное волокно). Что такое нейроны головного мозга? Это структурно-функциональная единица нервной ткани, входящая в состав головного мозга. Кроме анатомического определения нейрона, существует также функциональное – это возбуждающаяся электрическими импульсами клетка, способная к обработке, хранению и передаче на другие нейроны информации с помощью химических и электрических сигналов.

Строение нервной клетки не так сложно, в сравнении со специфическими клетками прочих тканей, также оно определяет её функцию. Нейроцит состоит из тела (другое название – сома), и отростков – аксон и дендрит. Каждый элемент неврона выполняет свою функцию. Сома окружена слоем жирной ткани, пропускающая лишь жирорастворимые вещества. Внутри тела располагается ядро и прочие органеллы: рибосомы, эндоплазматическая сеть и другие.

Кроме собственно нейронов, в головном мозге преобладают следующие клетки, а именно: глиальные клетки. Их часто называют мозговым клеем за их функцию: глия выполняет вспомогательную функцию для нейронов, обеспечивая окружение для них. Глиальная ткань предоставляет возможность нервной ткани регенерации, питания и помогает при создании нервного импульса.

Количество нейронов в головном мозге всегда интересовало исследователей в области нейрофизиологии. Так, численность нервных клеток варьировалось от 14 миллиардов до 100. Последними исследованиями бразильских специалистов выяснилось, что число нейронов составляет в среднем 86 миллиардов клеток.

Отростки

Инструментом в руках нейрона являются отростки, благодаря которым нейрон способен выполнять свою функцию передатчика и хранителя информации. Именно отростки формируют широкую нервную сеть, что позволяет человеческой психике раскрываться во всей ее красе. Бытует миф, будто умственные способности человека зависят от количества нейронов или от веса головного мозга, но это не так: гениями становятся те люди, у которых поля и подполя мозга сильно развиты (больше в несколько раз). За счет этого поля, отвечающие за определенные функции, смогут выполнять эти функции креативнее и быстрее.

Аксон

Аксон – это длинный отросток нейрона, передающий нервные импульсы от сомы нерва к другим таким же клеткам или органам, иннервируемым определенным участком нервного столба. Природа наделила позвоночных животных бонусом – миелиновым волокном, в структуре которого находятся шванновские клетки, между которыми располагаются небольшие пустые участки – перехваты Ранвье. По ним, как по лесенке, нервные импульсы перескакивают от одного участка к другому. Такая структура позволяет в разы ускорить передачу информации (примерно до 100 метров в секунду). Скорость передвижения электрического импульса по волокну, не обладающего миелином, составляет в среднем 2-3 метра в секунду.

Дендриты

Иной вид отростков нервной клетки – дендриты. В отличие от длинного и цельного аксона, дендрит является короткой и разветвленной структурой. Этот отросток не участвует в передачи информации, а только в ее получении. Так, к телу нейрона возбуждение поступает с помощью коротких веток дендритов. Сложность информации, которую дендрит способен получит, определяется его синапсами (специфические нервные рецепторы), а именно его диаметром поверхности. Дендриты, благодаря огромному количеству своих шипиков, способны устанавливать сотни тысяч контактов с другими клетками.

Метаболизм в нейроне

Отличительной особенностью нервных клеток является их обмен веществ. Метаболизм в нейроците выделяется своей высокой скоростью и преобладанием аэробных (основанных на кислороде) процессов. Такая черта клетки объясняется тем, что работа головного мозга чрезвычайно энергоемкая, и его потребность в кислороде велика. Несмотря на то, что вес мозга составляет всего 2% от веса всего тела, его потребление кислорода составляет примерно 46 мл/мин, а это – 25% от общего потребления организма.

Главным источником энергии для ткани мозга, кроме кислорода, является глюкоза, где она проходит сложные биохимические преобразования. В конечном итоге из сахарных соединений высвобождается большое количество энергии. Таким образом, на вопрос о том, как улучшить нейронные связи головного мозга, можно ответить: употреблять продукты, содержащие соединения глюкозы.

Миф 4: Мозг большего размера содержит больше нейронов, чем маленький мозг

Но даже фактор энцефализации содержит в себе неотъемлемый изъян, по одной простой причине: больший мозг не обязательно содержит в себе больше нейронов, чем маленький – факт, который возвращает нас к мифу номер один и вопросу из какого числа нейронов всё-таки состоит человеческий мозг.

Но до самого недавнего времени, тем не менее, большинство исследований предполагали, что плотность нейронов (в данном случае в тексте имеется в виду количество нейронов, отнесённое к общей массой мозга, а не физическая плотность нейронной ткани; прим. mixednews) является более или менее постоянной величиной среди разных классов животных. Однако данное убеждение не может находиться дальше от реальности.

Нажмите для увеличения

Этот миф был ловко разоблачён доктором Геркулано-Хаузел и её командой, когда они использовали всё тот же метод мозгового супа что и для измерения числа нейронов в человеческом мозге, чтобы определить общее число нейронов у различных видов млекопитающих. Результаты их исследований, которые на данный момент уже опубликованы в серии отчётов, демонстрируют, что мозги разных млекопитающих следуют разным «правилам расчёта»:

Мозги приматов, как обнаружилось, увеличиваются в размере с той же скоростью, с какой растёт число нейронов в них; если вы сравните один грамм нейронной ткани крупного примата с одним граммом ткани меньшего примата, вы получите примерно одинаковое число нейронов.

Мозги грызунов, с другой стороны, как выяснилось, увеличиваются в размере быстрее, чем приобретают новые нейроны. В результате, более крупные грызуны имеют тенденцию располагать меньшим числом нейронов на грамм нейронной ткани, чем мелкие разновидности.

Мозги насекомоядных ведут себя как комбинация мозгов грызунов и приматов, с корой мозга, которая увеличивается в размерах быстрее, чем прирастает число нейронов (подобно грызунам), и мозжечком, соотношение скоростей роста у которого линейно (подобно приматам).

Доктор Геркулано-Хаузел пишет:

Мозг гипотетического грызуна с 86 миллиардами нейронов (подобно человеческому мозгу), должен был бы весить чудовищные тридцать пять килограмм – что во много раз превосходит все известные параметры у любого из ныне живущих существ.

Вывод

Физиология человека поражает своей слаженностью. Мозг стал величайшим творением эволюции. Если представлять организм в форме слаженной системы, то нейроны – это провода, по которым проходит сигнал от головного мозга и обратно. Их число огромно, они создают уникальную сеть в нашем организме. Ежесекундно по ней проходят тысячи сигналов. Это потрясающая система, которая позволяет не только функционировать организму, но и контактировать с окружающим миром.

Без невронов тело просто не сможет существовать, потому следует постоянно заботиться о состоянии своей нервной системы

Важно правильно питаться, избегать переутомления, стрессов, вовремя лечить заболевания