Do podstawowych zadań ośrodkowego układu nerwowego należą: odbiór informacji (bodźców) ze środowiska zewnętrznego i wewnętrznego organizmu, analiza tych informacji oraz generowanie adekwatnej odpowiedzi (reakcji) organizmu. Analiza informacji docierających do układu nerwowego zachodzi w szerokich grupach połączonych ze sobą synaptycznie neuronów zwanych obwodami lub sieciami nerwowymi. Charakteryzują się one odmienną budową, poziomem złożoności oraz funkcjami.

Odruch to mimowolna reakcja organizmu na bodziec. Umożliwia ją tzw. łuk odruchowy, czyli droga, jaką przebywa impuls nerwowy od receptora do efektora. Przykładem najprostszej reakcji jest łuk odruchowy, który kontroluje reakcję cofania ręki.

W tym przypadku neuron czuciowy przekazuje informację o bodźcu bólowym (np. dotknięciu dłonią otwartego ognia albo gorącej powierzchni) do ośrodka zlokalizowanego w rdzeniu kręgowym. Tutaj następuje analiza informacji płynących z receptorów bólowych, co prowadzi do pobudzenia dwóch grup interneuronówinterneuroninterneuronów.

Interneurony pobudzające aktywują neurony ruchowe, których aksony unerwiają mięśnie zginaczy kończyny. Natomiast interneurony hamujące blokują działanie neuronów ruchowych, których aksony biegną do mięśni prostowników. W efekcie dochodzi do skurczu mięśni zginaczy i równoczesnego rozluźnienia mięśni prostowników, co wywołuje gwałtowne cofnięcie kończyny.

Jednym z podstawowych i często występujących w układzie nerwowym sposobów przetwarzania informacji są sieci neuronalne, w których akson jednej komórki nerwowej tworzy synapsęsynapsasynapsę w obrębie innej synapsy, w jej części presynaptycznej.

W zależności od tego, czy synapsa akso‑aksonalnasynapsa akso‑aksonalnasynapsa akso‑aksonalna ma charakter pobudzający czy hamujący, występuje zjawisko pobudzenia (torowania) lub hamowania presynaptycznego.

Z pobudzeniem presynaptycznym mamy do czynienia, gdy pobudzająca synapsa akso‑aksonalna zlokalizowana jest na elemencie presynaptycznymbłona presynaptycznaelemencie presynaptycznym innej synapsy pobudzającej. Wtedy równoczesne pobudzenie obu synaps zwiększa odpowiedź głównej synapsy tej sieci neuronalnej, prowadząc do większego pobudzenia komórki postsynaptycznejbłona postsynaptycznapostsynaptycznej.

Z kolei hamowanie presynaptyczne zachodzi, gdy aktywna jest hamująca synapsa akso‑aksonalna, zlokalizowana na elemencie presynaptycznym innej synapsy pobudzającej. Wtedy równoczesne pobudzenie obu synaps zmniejsza lub całkowicie hamuje odpowiedź głównej synapsy tej sieci neuronalnej.

Wiele zjawisk w układzie nerwowym zachodzi dzięki specyficznym układom połączeń między komórkami nerwowymi tworzącymi sieci neuronalne. Układy te mają charakter konwergencyjny lub dywergencyjny. Układ dywergencyjnyukład dywergencyjnyUkład dywergencyjny polega na tym, że akson jednego neuronu rozgałęzia się i tworzy wiele synaps na licznych komórkach postsynaptycznych.

R1Ba8cOfs4fGH

Grafika przedstawia infraneurony oznaczone kolorem żółtym na tle innych struktur. Mają one formę połączonych ze sobą na kształt pierścienia drobnych nici.

Przykładem tego typu połączenia może być komórka czuciowa przekazująca informację z receptora dotyku zlokalizowanego w skórze. Jej akson rozgałęzia się w rdzeniu kręgowym i tworzy synapsy na wielu neuronach, przekazujących następnie impulsy do móżdżkumóżdżekmóżdżku, pnia mózgupień mózgupnia mózgu i kory mózgowej. Dzięki zjawisku dywergencji informacja o bodźcu dotykowym przekazywana jest do różnych ośrodków mózgowych.

Z kolei zjawisko konwergencjiukład konwergencyjnyzjawisko konwergencji zachodzi, gdy na jednym neuronie wytworzonych jest wiele synaps przekazujących informacje z różnych neuronów presynaptycznych. W ośrodkowym układzie nerwowym większość komórek ma tego typu unerwienie.

RPpE79rhv8Kz8

Zdjęcie w znacznym przybliżeniu przedstawia zabarwione na czerwono neurony na tle mięśni ściany ciała larwy muszki owocówki. Mają one formę nici opalających w regularnych odstępach cylindryczne mięśnie.

Neurony ruchoweneuron ruchowyNeurony ruchowe rdzenia kręgowego, których aktywność warunkuje skurcz mięśni szkieletowych, są unerwione m.in. przez szlaki biegnące z kory mózgowej, móżdżku, pnia mózgu oraz z receptorów zlokalizowanych w samych mięśniach. Innym przykładem konwergencji może być budowa siatkówki oka. W ludzkim oku występuje ok. 120 mln receptorów wzrokowych (czopkówczopkiczopków i pręcikówpręcikipręcików), które przekazują informacje do ok. 1,2 mln komórek zwojowych wysyłających aksony z informacją wzrokową do mózgu.

Obwody i sieci neuronalne o wyższym stopniu skomplikowania związane są np. z procesami uczenia się i tworzenia śladów pamięciowychślad pamięciowyśladów pamięciowych. Zgodnie z tzw. teorią rewerberacji, sformułowaną w 1949 r. przez Donalda Hebba, informacje przechowywane są w pamięci dzięki impulsom nerwowym krążącym w obwodach rewerberacyjnych. Obwody takie tworzone są przez neurony, które łączą się w pętle pobudzające się wzajemnie.

Krążenie informacji (impulsów nerwowych) w takich zamkniętych sieciach neuronalnych jest, prawdopodobnie, podstawą istnienia pamięci krótkotrwałejpamięć krótkotrwałapamięci krótkotrwałej. Pośrednim dowodem na potwierdzenie takiej tezy jest fakt, że gwałtowne zakłócenie czynności bioelektrycznej mózgu, np. podczas zabiegu elektrowstrząsówelektrowstrząsyelektrowstrząsów, usuwa bezpowrotnie informacje przechowywane w pamięci krótkotrwałej.

Ciekawostka

RllMjpihqVeIy

Zdjęcie z tomografu przedstawia mapę aktywności mózgu podczas rozwiązywania zadań angażujących pamięć operacyjną. Kolorem czerwonym oznaczono aktywne obszary mózgu.

Wraz z rozwojem technologii możliwe jest głębsze poznanie funkcjonowania ludzkiego organizmu. Funkcjonalny rezonans magnetyczny obrazuje wzrost przepływu krwi i utlenowania aktywnej okolicy mózgu. Dzięki badaniom fMRI mózgowia odkryto sieci funkcjonalne odpowiedzialne za uczenie się oraz czytanie.

Dla zainteresowanych

RhZx6A9FcecT0

Grafika przedstawia uproszczony schemat jednokierunkowej sieci neuronowej. Po lewej stronie grafiki znajdują się dwie zielone kropki. Nakierowane są na nie dwie strzałki ze zwrotem skierowanym na prawo. Obie kropki połączona są z pięcioma niebieskimi kropkami znajdującymi się na środku grafiki. Natomiast każda z pięciu niebieskich kropek jest połączona pojedynczą nicią z żółtą kropką znajdującą się po prawej stronie grafiki. Od niej odchodzi strzałka ze zwrotem skierowanym na prawo.

Naturalne sieci neuronalne wykorzystywane są w technologii – na ich podstawie tworzy się sztuczne sieci neuronalne, czyli „układ nerwowy” tzw. sztucznej inteligencji (AI). To przykład tego, jak mózg człowieka i jego anatomia zainspirowały naukowców oraz inżynierów do tworzenia innowacyjnych i „myślących” algorytmów, które mogą wykonywać setki skomplikowanych operacji.

Słownik