<< Предыдущая

стр. 10
(из 12 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>



6)




Чрезвычайно важным элементом зрительного аппара­та голубя является нейрон. Для моделирования его тре­буется разработать значительно более сложное устрой­ство, чем ранее созданный оптический решающий фильтр*). Новый аналоговый нейрон, смоделированный в лаборатории, ближе по своим характеристикам к био­логическому. Для биологического нейрона характерно наличие рефрактерного периода**), по истечении ко­торого нейрон снова приобретает нормальную чувстви­тельность к раздражению. Кроме того, биологический нейрон должен обладать способностью генерировать выходной сигнал в кодированной импульсной форме, свободной от дихотомии ***)) свойственной выходному сигналу ранее сконструированного устройства. Нако­нец, наиболее важное свойство биологического нейро­на — его способность запоминать, каким образом он реагировал на последнее раздражение, что отличает его от обычного логического устройства, работающего по принципу «большинства». Именно эти свойства зри­тельного анализатора голубя характерны для недавно созданной модели аналогового нейрона и отличают ее от ранее предложенной. Последняя, напомним, была ос­нована на модели нейрона, реализующей пространст­венное суммирование и пороговую операцию.
Описанная выше схема глаза голубя показана на рис. 3, б. Для моделирования биполярных и ганглиозных клеток использовались видоизмененные модели Хармо-на. Колбочки моделируются набором фотодиодов, каж­дый из которых соединен с эмиттерным повторителем. На выходе повторителя включен биполярный элемент, управляемый перепадом постоянного тока. Разветвляю­щиеся беспорядочные соединения между колбочками, биполярными и ганглиозными клетками выполнены на

*) Созданный ранее оптический решающий фильтр пред­ставлял собой линейное пороговое логическое устройство, которое осуществляло взвешенное суммирование входных сигналов и срав­нивало полученную сумму с пороговым значением. Если найденная сумма превышала пороговое значение, то на выходе устройства появлялся сигнал, равный 1. Если же сумма оказывалась мень­ше порогового значения, то на выходе появлялась — 1, Опера­ции, выполняемые этим устройством, — пространственное сумми­рование, взвешенное суммирование и сравнение с порогом — являются частью операций, выполняемых биологическим нейро­ном, но не исчерпывают его возможностей.
**) Рефрактерный период — интервал времени после раз­дражения, в течение которого система не реагирует на следую­щее раздражение.
***) Дихотомия — последовательное деление целого на две час­ти, затем каждой части снова на две и т. д.
коммутационных панелях приборной стойки, на которой размещена большая часть схемы сетчатки.
Для моделирования нейронной структуры глаза го­лубя в модель Хармона были внесены некоторые изме­нения. Вместо одного запрещающего входа предусмот­рено пять таких входов с тем, чтобы элемент имитиро­вал горизонтальные и амакринные нервные клетки.
Каждый нейрон помещен на отдельной схемной па­нели, детали которой легко изменить в соответствии с характером поставленной задачи.
Скорость работы модели нейрона соответствует ча­стотам порядка килогерц, т. е. эквивалентна скорости работы биологической системы. Чтобы создать фильт­ры для радиолокационных систем, основанных на этом принципе, потребуются частоты порядка мегагерц. В свя­зи с этим специалисты создали высокоскоростную мо­дель нейрона на б\окинг-генераторе и интеграторе.
В ней содержится рецепторное поле со 110 фотодио­дами и отдельной стойкой, на которой размещены эмит-терные повторители и система соединений с 80 бипо­лярными нейронами. В данной модели последние соеди­нены с б ганглиозными элементами. При попадании светового сигнала на рецепторное поле выходные им­пульсы отдельных фотоэлементов преобразуются в зву­ковые сигналы или подаются на осциллограф.
Пока что эта модель оказалась способной обнару­живать пятна и их края, движущиеся в определенном направлении. Система, однако, не обнаруживает непо­движные пятна или края.
Для создания индикатора пятна, движущегося в оп­ределенном направлении, т. е. для создания модели гла­за голубя, исследователи намерены дополнительно вве­сти в созданную ими систему некоторое количество нейронов и расширить рецепторное поле. Последнее будет содержать до 200 фоторецепторов, число биполя-ров повысится до 150, ганглиозных клеток — до 25. В гла­зу же голубя число нейронов может достигать миллиона.
Поскольку точное устройство глаза голубя неизвест­но, специалисты проводят эксперименты, по-разному соединяя между собой отдельные элементы модели. Для облегчения этой задачи используется коммутационная панель, при помощи которой надеются опытным путем установить, каким образом голубь выбирает определен­нбе направление полета. Выяснив это, инженеры смо­гут перейти к изучению способности глаза голубя про­изводить предварительную обработку данных.
Относительно реакции голубя на объект, движущий­ся в определенном направлении в его поле зрения, из­вестно лишь то, что эта реакция не обусловлена дея­тельностью мозга, а возникает в результате предвари­тельной обработки информации на участке глаз — мозг. Эта способность голубя, по-видимому, позволяет ему принимать быстрые и правильные решения. Полагают, что результаты изучения процессов переработки инфор­мации в глазу голубя внесут большой вклад в теорию и практику построения приборов, воспринимающих ин­формацию. Такие исследования займут, вероятно, нема­ло времени. А пока изобретательные ученые и инжене­ры нашли оригинальный способ использования совер­шенного зрительного аппарата живого голубя.
Одна американская фирма, производящая электрон­ное оборудование, в течение довольно длительного вре­мени терпела значительные убытки. Изготавливаемые ею дорогостоящие приборы быстро выходили из строя. Заказчики негодовали и, разумеется, требовали компен­сации. Нужно было спасать репутацию фирмы...
Проведя анализ причин, специалисты фирмы выясни­ли, что приборы приходили в негодность из-за мельчай­ших трещин в покрытии некоторых деталей. Но и после этого ситуация нисколько не улучшилась — контролеры по-прежнему пропускали брак, так как дефекты покры­тия было чрезвычайно трудно различить. Следовало за­ставить контролеров быть более внимательными, и ру­ководство фирмы обратилось за советом к психологам. В качестве консультанта был приглашен профессор Ко­лумбийского университета Каммингс. Профессору было известно, кто может справиться с такой работой наи­лучшим образом. В свое время доктор Верхэв из Сан-Франциско решил использовать голубей, обладающих большой остротой зрения, в качестве... контролеров на фармацевтических заводах. Когда голуби обнаруживали, что облатки и пилюли отличаются по размеру или цвету от стандарта, они тут же отбрасывали их. Эти же свойства голубей поставила себе на службу одна южноафриканская фармацевтическая фирма. Голуби не тяготились однообразной работой и оказались способ­ными к длительной сосредоточенности.
И вот у конвейера, по которому двигались каприз­ные детали электронной аппаратуры, поставили клетку с голубем. В ней находились две стеклянные пластинки, соединенные с системой электрической сигнализации. Голубь приступил к исполнению своих «контролерских обязанностей». Взглянув на проплывающую мимо доб­рокачественную деталь, голубь клевал ту из двух пла­стинок, которая включала сигнал «все в порядке». Если же на конвейере появлялась деталь, чем-то отличав­шаяся от нормальных, птица клевала другую пластинку, указывающую на то, что идет брак. Опыт повторяли сотни раз. Обнаружение бракованных деталей поощря­ли, как водится, просяными зернами, и постепенно го­лубь превращался в высококвалифицированного конт­ролера. Сначала он замечал дефекты явные,' позже — трудноразличимые и, наконец, совершенно неразличи­мые человеческим глазом. Обучение, в зависимости от способностей «ученика», продолжалось 50 — 80 час. Про­фессор подсчитал, что голубь не замечает дефектов только в 1 % случаев.
Об успешном использовании голубей в качестве кон­тролеров на производстве сообщалось совсем недавно и в нашей печати. Инициатором этого нововведения явился заместитель главного технолога одного из мос­ковских машиностроительных заводов А. М. Быков. Вме­сте с товарищами по работе — инженером-конструкто­ром С. К. Лапшиной и начальником лаборатории А. С. Пантелеевым Быков решил использовать голубей для визуального контроля шариков для подшипников. Для обучения птиц выполнению столь ответственной функции инженеры построили специальный стенд, по конструкции очень сходный с описанным выше устрой­ством. Но голубь — чуткая птица, и повозиться с на­ладкой работы «голубиного ОТК» пришлось, не имея опыта, изрядно. То птицам, рассказывает Быков, не нравился свет, то они не хотели есть из кормушки, по­дававшей поощрительные зерна. Один голубь клевал сильно, другой — слабо, пришлось подбирать пружинки контактов. В конце концов дело пошло на лад. Голуби научились сортировать шарики для подшипников. Но, приступив к работе, крылатые контролеры уже на дру­гой день стали браковать все шарики подряд, без раз­бора. Не помогало ни удвоенное вознаграждение, ни улучшенное освещение. Причина оказалась совершенно неожиданной. Голуби замечали даже следы пальцев на зеркальной поверхности и отправляли шарики в брак. Стоило протереть их предварительно тряпочкой, как все стало на свое место и работа наладилась.
Интересно, что голубь, получая вознаграждение только за бракованные детали, никогда не «жульнича­ет», чтобы получить лишнее зернышко. Опыт совет­ских инженеров по применению «голубиного ОТК» по­казывает, что па первоначальное обучение новичка функциям контролера нужно 3 — 5 дней, а через 2 — 3 недели «квалификация» его значительно повышается и, чем тоньше становятся дефекты в контролируемой про­дукции, тем бдительнее делается птица. Производитель­ность голубя — 3 — 4 тысячи деталей в час, работать он может несколько часов подряд, не обнаруживая призна­ков усталости и не снижая качества контроля.
«А если голубь заснет или перестанет клевать? — спросил журналист у инженера Быкова.
Блокирующее устройство прекратит подачу де­талей.
А если будет так много брака, что голуби объе­дятся?
Тогда надо гнать бракоделов с работы, — смеясь ответил Анатолий Михайлович.— В ближайшее время мы хотим внедрить голубиный контроль на небольшой пуговичной фабрике. Сейчас этим делом там заняты семь женщин.
Допустим, голубь надежнее человека. Но ведь имеются и контрольные автоматы для разбраковки ша­риков. Они-то уж абсолютно надежны.
Пока таких автоматов нет, и вряд ли они скоро появятся. Для этого их нужно обучить распознаванию образов, т. е. решить сложнейшую задачу современной кибернетики, снабдить автоматы высококачественной оптикой с большой разрешающей силой, составить для каждой детали свою программу. А голубь с детали на деталь переходит легко. На переучивание ему достаточ­но двух-трех часов».
И наконец, еще один интересный аспект предпола­гаемого использования голубей. Сотрудник Стэнфорд­ского университета доктор Сонтаймер задался целью обучить голубей ... грамоте! Стаи по 26 голубей обу­чаются грамоте по весьма своеобразной системе: каж­дый голубь должен запомнить только одну определен­ную букву алфавита. Такие стаи собираются разместить в отделах всех крупнейших американских банков. По­лучив чек и «прочитав» фамилию лица, его подписав­шего, голуби должны отстучать поочередно все буквы этой фамилии на клавишах специального автомата, ко­торый затем переправит чек для оплаты в автоматизи­рованную бухгалтерию.
Конечно, можно заставить сами автоматы различать подписи и совершать требуемые операции, но такие автоматы стоят чрезвычайно дорого. Голуби же почти ничего не стоят, а расходы по их содержанию не идут ни в какое сравнение с зарплатой специалистов-конт­ролеров.
Таким образом, вопрос о том, что, как и чем видит какая-либо особь, в настоящее время, когда могущест­венная электронная и вычислительная техника позволя­ет анализировать и моделировать чрезвычайно сложные устройства и функции биологических систем, представ­ляет скорее утилитарный, чем чисто познавательный интерес. Приведенные выше примеры, нам думается, убедительно подтверждают это.
В ряду задач, стоящих перед бионикой, исследова­ние и моделирование процессов зрительного восприя­тия, конструктивных особенностей зрительного анализа­тора человека и животных занимают важнейшее место. Дело в том, что более 90% всей информации о внеш­нем мире поступает в бионическую систему через гла­за. Недаром ученые называют глаза «мозгом, вынесен­ным на периферию».
Бионические исследования зрительных анализато­ров, созданных природой, — это не просто одно из цен­тральных направлений молодой науки, это одно из тех немногих ее направлений, в котором специалисты ожи­дают наиболее быстрого выхода результатов научных изысканий в практику. Именно в этой области, где тех­ника испытывает особенно острую нужду в новых иде­ях конструирования и новых принципах работы систем, живая природа располагает чрезвычайно широкой «но­менклатурой» существенно различающихся по сфере деятельности и конструкций устройств, техническое воспроизведение которых, по-видимому, надолго обес­печило бы наши потребности.
Возьмем наш зрительный анализатор (рис. 4). Сет­чатка глаза воспринимает зрительную информацию при­мерно 130 миллионами одновременно работающих ре-цепторных клеток (125 миллионов палочек и 6,5 мил-

Рис. 4. Схема строения глаза человека. 1 — ресничная мышца; 2 — радужная оболочка; 3 — водянистая влага; 4 — зрачок; 5 — роговица; 6 — связ­ка, поддерживающая хрусталик; 7 — хрусталик; 8 — стекловидное тело; 9 — сетчатка; 10 — центральная ямка; 11 — слепое пятно; 12 — зрительный нерв. Опти­ческая ось показана пунктиром.

лиона колбочек). В этих клетках под действием света возникает возбуждение, которое по нервным волокнам передается зрительному анализатору, расположенному в коре затылочной доли мозга. Общее число нервных во­локон в зрительном нерве достигает 1 миллиона, так что в среднем 1 волокно проводит возбуждения от 130 фоторецепторов. Диапазон чувствительности сетчатки тянется от энергии, равной нескольким квантам све­та *), до энергии световых потоков, поступающих в глаз от Солнца. Если учесть, что минимально возможное

*) Точно так же, как вещество состоит из мельчайших час­тиц, известных под названием атомов свет состоит из очень ма­лых «частиц», называемых фотонами; энергия одного фотона рав­на одному кванту.

количество световой энергии равно 1 кванту, а человече­ский глаз способен зарегистрировать колебания свето­вой энергии в 5—10 квантов, то можно сказать, что чув­ствительность сетчатки доведена почти до предела. Со­временная радиоэлектронная аппаратура тоже может регистрировать самые ничтожные колебания интенсив­ности света. Однако существенная разница заключается здесь в том, что технические системы дают возмож­ность регистрировать такие слабые сигналы при темпе­ратурах жидкого гелия, т. е. в условиях, когда «тепло­вой шум» окружающей среды практически равен нулю. Человеческий же глаз имеет такую феноменальную чувствительность при температурах порядка 20 0 Ц. Кро­ме того, восприятие неподвижных предметов обеспечи­вается мелкими подергиваниями глаза, которые проис­ходят непрерывно даже в те моменты, когда наблюда­тель стремится фиксировать взгляд на какой-либо не­подвижной точке. Частоты этих подергиваний лежат в пределах от 1 до 150 гц. Наконец, при рассматривании крупных объектов оба глаза строго синхронно совер­шают с большой угловой скоростью (до 400° в секунду) скачки от одной точки изображения к другой. При этом время рассматривания объекта распределяется следую­щим образом. На скачки затрачивается около 3% всего времени, а остальные 97% времени взгляд оказывается фиксированным на тех или иных наиболее ярких и важных элементах изображения. При рассматривании движущихся объектов глаза передвигаются с угловой скоростью, равной угловой скорости движения объекта относительно наблюдателя. Такое непрерывное слеже­ние за объектом перемежается периодическими скачко­образными движениями глаза, имеющими своей целью корректировку ошибок. Благодаря бинокулярному зре­нию мы видим предметы объемно, телесно, можем опре­делять расстояния между ними и их отдаленность. На­конец, наши глаза способны различать оттенки цве­тов — они воспринимают голубизну морской волны и зарево заката, золото осеннего листа и палитру Леви­тана.
Мы перечислили далеко не все особенности нашего зрительного анализатора. Но и они при глубоком иссле­довании могут дать ключ к решению ряда важнейших технических задач.
т
По аналогии с глазом можно было бы создать систе­мы автоматического управления количеством света, па­дающим на фоточувствительный прибор, что обеспечи­ло бы равномерную чувствительность системы в широ­ком диапазоне. Представляет интерес также разработка методов кодирования данных о скорости перемещения сканирующего луча в устройствах, воспринимающих изображения. Можно создать и автоматический опреде­литель глубины пространства (скажем, для анализа аэ­рофотоснимков) .
На многовековом пути развития живых существ их органы зрения непрерывно изменялись, совершенство­вались. Ястреб и орел, например, способны с большой высоты различать движение даже мелких животных, некоторые другие хищники видят в сумерках. Хорошо развитые глаза имеют многие морские черви. Кальмар и осьминог обладают глазами камерного типа с линза­ми (хрусталиками), способными устанавливаться на дальнее и ближнее зрение и создавать довольно точные изображения всех окружающих объектов. Несколько лет назад вблизи Орегонского побережья из океанских глубин извлекли неизвестную ранее рыбу. Биологи об­ратили внимание на ее своеобразные выпученные гла­за. Присмотревшись внимательнее, они пришли к уди­вительному выводу: обитатель глубин, получивший наз­вание батилихнопуса, обладал двумя парами глаз. Верхняя пара глаз, как полагают ученые, может обоз­ревать то, что находится над рыбой и за ней, а нижняя пара глаз, обладающих высокой чувствительностью, направлена вниз. Эта дополнительная пара помогает их хищному обладателю охотиться во мраке больших глубин. Вторая пара у батилихнопуса, по-видимому, представляет собой уникальное исключение у позвоноч­ных животных и тесно связана с развитием стереоско­пического зрения. Зато в царстве насекомых многогла-зие не редкость. У некоторых из них дополнительные глаза представляют собой просто пигментированные пятнышки, у других, например у некоторых пилиль­щиков, дополнительные глаза покрыты прозрачными линзообразными утолщениями кожи. У третьих поверх­ность глаз обладает различной кривизной, так что одна пара видит лучше в горизонтальной плоскости, а другая — в вертикальной. Прекрасно развиты глаза

Рис. 5. Муха диопсида с глазами, расположенными на концах длинных «рогов».

у бабочек. Так, ночные бабочки бражники способны различать тонкие оттенки цвета в сумерках при таком слабом освещении, когда человек не может разглядеть даже основные тона. Очень оригинальны глаза у мух диопсид. Эти насекомые с длинными рогами на голове живут у нас в Сибири и на Кавказе. Их глаза распо-ложены на концах «рогов» на вытянутых в стороны длинных стеблях. Глаза диопсид (рис. 5) работают так же, как... артиллерийский дальномер (расположение глаз на стебельках обеспечивает чрезвычайно широко­угольное пространственное зрение и тем самым облег­чает ориентировку насекомого в воздухе).
Говоря о тех или иных достоинствах устройства глаз, механизма зрения различных животных, нельзя не отметить, что природа особенно много выдумки и изоб­ретательности проявила при создании органов зрения насекомых. И не случайно в бионике уделяется повы­шенное внимание изучению зрительного анализатора членистоногих. Насекомые обладают так называемыми фасеточными глазами, т. е. сложными глазами (рис. б), состоящими в среднем из 5 — 10 тысяч зрительных еди­ниц — омматидиев — изолированных друг от друга сек­торов, каждый из которых воспринимает лучи, идущие только параллельно его оси. Лучи же, падающие под углом к этой оси, поглощаются боковыми стенками. Такой глаз не дает единого изображения, а создает мо­заику, в которую каждый элемент глаза вносит отдель­ное изображение. Результат можно представить себе

как нечто довольно похожее на фотографию, отпеча­танную на газетной бумаге. Таким образом, насекомые распознают не столько детали объектов, сколько их дви­жение. Поскольку любое движение добычи или врага немедленно улавливается одним из элементов глаза, та­кого рода орган удивительно соответствует образу жизни членистоногих. Мозаичное зрение облегчает на­секомым передвижение по прямой, так как для этого им достаточно сохранять изображение Солнца в одном из омматидиев. Низкую пространственную разрешающую силу фасеточного глаза, обусловленную малым числом

Рис. б. Фасеточный глаз в разрезе.

рецепторов, в известной мере компенсируют его исклю­чительно высокая разрешающая способность во време­ни. Так, при прерывистом освещении подвижные, быстро летающие насекомые (стрекозы, мухи, насеко­мые семейства пчелиных) различают отдельные вспыш­ки при их частоте до 200 — 300 вспышек в секунду, что свидетельствует о малой инерционности фасеточного глаза. Зрительный анализатор насекомых обладает чрез­вычайно большой чувствительностью к контрастам. Так, глаз насекомого сигнализирует зрительным центрам о таких малых различиях во внешней обстановке, кото­рые вызывают изменение освещенности зрительных кле­ток на 1% и даже на 0,5%. Фасеточный глаз, особенно у ночных насекомых, способен к очень сильной адапта­ции: он изменяет свою чувствительность на 4 —5 поряд­ков и, следовательно, может функционировать в очень широких пределах освещенности. Фасеточный глаз ре­агирует не только на изменение интенсивности света, но и на изменение его спектрального состава, т. е. он может осуществлять цветовое зрение. Очень многие насекомые «видят» ультрафиолетовые лучи.
Человеческий глаз, как известно, воспринимает элек­тромагнитные колебания в области от 0,4 до 0,8 мк, тогда как у многих насекомых нижняя граница этой области


Рис. 7. Пчелиный «фотометр» (стрелками показаны оди­ночные глаза на голове пчелы).

доходит до 0,3 мк. Пчелы, мухи и муравьи воспринима­ют ультрафиолетовое излучение. Правда, пчелы не «знают», что такое красный цвет. Алые цветы они вы­деляют среди прочих по другим признакам, например по интенсивности отраженных ультрафиолетовых лу­чей, так что алая роза или красный мак имеют для пчел «ультрафиолетовую» окраску.
Как ориентируются в своих длинных перелетах пче­лы? Каким образом, пролетев очень большие расстоя­ния, они находят дорогу к своему улью? Направление полета пчелы определяет все тот же фасеточный глаз.
У пчел и шмелей, кроме отчетливо видных фасеточ­ных глаз, есть еще три малозаметных простых, одиноч­ных, глаза (рис. 7). Назначение этих глаз до последнего времени объясняли по-разному: либо как вспомогатель­ные органы для видения на расстоянии или фиксирова­ния положения цели, либо как органы, определяющие интенсивность освещение. Недавно получены сведения, подтверждающие последнее предположение.
Опыты показал!';, что благодаря своим одиночным глазам — прекрасным фотометрам — пчелы различают степень освещенности (в пределах от 1,5 до 5 люксов), по которой они определяют время вылета утром за взятком и возвращения в улей вечером. Пчелы с закле­енными одиночными глазами вылетали позже и возвра­щались в улей раньше, чем контрольные. Если заклеи­вался только один одиночный глаз, то вылет и послед­нее возвращение в улей совершались при освещенности, вдвое большей, а в случае ослепления всех трех глаз — в 4,5 раза большей, чем в контрольном опыте. Выключе­ние этих глаз не влияло на поведение пчел в течение дня. Интересно, что в нормальных условиях эти удиви­тельные существа начинают свой последний вечерний путь в улей при освещенности, несколько превышаю­щей ту, при которой они вылетали из него утром. Пче­лы как бы учитывают продолжительность полета домой, чтобы прибыть к улью не позже того момента, после которого им станет трудно ориентироваться из-за недо­статочной освещенности.
Одна из интереснейших возможностей зрительного аппарата насекомых — их способность видеть «быст­рее», чем многие другие животные. Там, где человек видит какую-то промелькнувшую тень, та же пчела, например, отчетливо различает размеры и форму пред­мета. Временная разрешающая способность фасеточ­ного глаза выше, чем у глаза человека.
Частота повторения вспышек, при которой они сли­ваются и создают у человека впечатление непрерыв­ного света — 24 раз в секунду, — известна давно и используется в кино, телевидении, для измерений, ос­нованных на стробоскопическом эффекте, и т. д. Насе­комые же — мухи, пчелы, осы — не смогли бы смотреть ни кинофильмы, ни телевизионные передачи. При изу­чении их зрения оказалось, что частота повторения световых импульсов, при которой они сливаются в не­прерывный свет, примерно равна 300, т. е. в 10 с лиш­ним раз больше, чем у человека; поэтому насекомые видели бы на экране совершенно раздельные кадры, не сливающиеся в цельное изображение.
Чем замечательно это свойство фасеточного глаза?
Человек различает форму движущегося тела только в том случае, если изображение задерживается на сет­чатке в течение 0,05 сек. Если время экспозиции меньше, то различить контуры отдельного изображения уже не
удается, а одинаковые

изображения сливают­ся в одно. У мухи же или у осы это время равно 0,01 сек. Изме­рение центрального угла омматидия мухи позволяет заключить следующее: если муха летит со скоростью 5 м/сек, то предмет диа­метром 1,25 см, нахо­дящийся на расстоя­нии 1 м, будет воспри­ниматься каждым ом-матидием в течение 0,01 сек, и, следова­тельно, будет виден очень отчетливо. Чело­век же увидел бы толь­ко промелькнувшую мимо тень. Для насекомого в единице времени больше мгновений! Процессы, кажущиеся человеку очень быст­рыми, для насекомых идут гораздо медленнее, пред­ставляются расчлененными. С этим связана и чрезвы­чайно быстрая, непостижимая для человека скорость ре­акции насекомого.
Ничтожная инерционность зрительного восприятия насекомого в сочетании с одной особенностью фасе­точного глаза представляет для бионики особый инте­рес. Дело в том, что в каждом омматидии, как отмеча­лось выше, возникает одно изображение предмета, находящегося в поле зрения, а значит, во всем фасеточ­ном глазе — целая серия независимых друг от друга изображений. Однако, несмотря на это, мозг насекомого воспринимает лишь одно изображение —- то, котороевозникло в ближайшем к предмету омматидии. Изобра­жения в остальных омматидиях блокируются (рис. 8). Любой перемещающийся предмет последовательно по­падает в поле зрения различных омматидиев. Таким образом, животное оказывается в состоянии определить скорость движения этого предмета.
Глаз мухи и послужил прото­типом для прибора, способного измерять мгновенную скорость самолетов, попадающих в поле его зрения. На рис. 9 изображе­на упрощенная схема такого при­бора, состоящего из двух омма-тидиев.
Когда самолет движется сле­ва направо, возбуждается снача­ла первый омматидии. Импульс возбуждения поступает сразу на сумматоры первого (/) и второго (//) омматидиев. Но на сумма­тор // он попадает сразу, а на сумматор / — через лимию за­держки. Пока импульс находит­ся в задерживающем устройст­ве /, самолет успевает переме­ститься в поле зрения оммати-дия //. Новый импульс возбуж­дения (теперь уже от второго омматидия) попадает в сумма­тор / сразу, а в сумматор // — через линию задержки. Когда второй импульс поступает в сумматор /, он складывает­ся там с первым, который к этому времени прошел ли­нию задержки. В результате сложения импульсов от первого омматидия идет один импульс с двойной амп­литудой, от второго — два разных импульса с ординар­ной амплитудой, так как второй импульс поступает с линии задержки в сумматор Л тогда, когда первый импульс уже прошел через него. Если бы самолет дви­гался в противоположную сторону, то сигнал с двойной амплитудой поступил бы с омматидия //, а два сигнала с ординарной амплитудой каждый — с омматидия /.
Счетно-решающее устройство, моделирующее мозг на­секомого (на рисунке не показано), анализирует интер­валы между сильными и слабыми сигналами, определяя скорость самолета.
Два года назад одна американская фирма создала фотокамеру «мушиный глаз» для репродукции особо


Рис. 10. Линзы фотокамеры «мушиный глаз».

точных микросхем электронных счетно-решающих ма­шин. Свое название камера получила от объектива, похожего по своей структуре на ячеистую структуру фасеточного глаза мухи. Линза, вернее, 1329 линз, объединенных в один плоский диск (на рис. 10 — в пра­вом нижнем углу), дают множество изображений, что обеспечивает разрешающую способность лучшую, чем 4000 линий на 1 см. Главное достоинство новой камеры «мушиный глаз» — большая скорость съемки, что по­зволяет получить за кратковременную экспозицию бо­лее 1300 изображений одного объекта.
Недавно ученые обнаружили, что глаза мечехвоста обладают уникальной способностью усиливать контраст между краем видимого объекта и фоном картины. Сиг­нал зрительного нерва, создаваемый относительно ярким светом, блокирует сигналы, порождаемые относительно слабым светом. В настоящее время ученые пытаются создать электронное устройство, которое могло бы ими­тировать механизм глаза мечехвоста. Они рассчитывают использовать это устройство в телевизионной установке, которая «просматривала» бы рентгеновские снимки, пленку, заснятую с воздуха, или, возможно, снимки Луны. Поскольку такое устройство должно усиливать контраст на краях объектов на снимках, телевизионное изображение будет легче изучать и анализировать.
Специалисты другой американской фирмы работают над следующей проблемой бионики. Они изучают «тре­тий глаз» рака — некий светочувствительный орган, находящийся на хвосте животного; этот орган позво­ляет раку «видеть» то, что происходит позади него, и находить темные места для укрытия.
Природа чрезвычайно изобретательна. Настолько изобретательна, .что «принцип действия» многих из со­зданных ею систем до сих пор не вполне ясен специа­листам. Одна из проблем — зрение высших животных и, в частности, цветовое зрение.
Известен такой древний рассказ. Александр Маке­донский, хмурясь, рассматривал некую картину, на ко­торой он был изображен верхом на своем знаменитом коне Буцефале. Свой портрет полководец весьма одоб­рял, но вот конь... Александр выразил свое неудовольст­вие художнику. Последний оскорбился и потребовал, чтобы к картине подвели коня. Историки утверждают, что, увидев свое изображение, Буцефал обрадовался и стал бить копытами, взволнованный своей импозант­ностью.
Достоверность этой истории весьма сомнительна. Од­нако здесь интересно другое: видят ли животные формы и краски так же (или почти так же), как люди?
Выяснением этого вопроса занялся немецкий зоолог Б. Гримек. И вот что оказалось. Кони принимают чуче­ло лошади за живое существо, за своего сородича. Этот факт кажется совершенно непонятным, если учесть, что у лошадей высоко развито чувство обоняния.
Результат другого эксперимента еще более удивите­лен. Нарисовав на большом листе бумаги лошадь в на­туральную величину, Гримек прибил эту картину к де­ревянному щиту и поставил его у стенки. Лошади реа­гировали на портрет своего сородича очень живо. Они толпились вокруг, старались коснуться мордой головы «лошади» — заводили знакомство. Казалось, их совсем не беспокоило, что от рисунка пахнет лишь бумагой и масляной краской. Эти опыты были проделаны в мане­же. А на открытом пространстве лошади просто не замечали портретов.
Львы нападали на чучело зебры и, только приняв­шись рвать его, обнаруживали ошибку. Когда гепарду показывали фильм об антилопах, он бросался на экран с такой яростью, что если бы он не был привязан, то наверняка изорвал бы экран в клочья.
А как обстоит у животных дело с цветоощущением? Исследования показали, что цветную картину мира, по­добную той, которую видим мы, «созерцают» далеко не все живые организмы. Наш глаз можно назвать пер­воклассной «лейкой», заряженной чрезвычайно чувст­вительной цветной пленкой; по сравнению с ним, на­пример, глаз кальмара или осьминога — это простая фотокамера с малочувствительной черно-белой пленкой. Собаки и кошки, как показали опыты немецкого уче­ного Дуэккера, почти не различают цветов, совершен­но нечувствительны к ним крысы, хомяки, мыши и кро­лики. Зрительное восприятие дождевого червя ограни­чивается в лучшем случае определением направления на светящееся тело. Не только цветного, но и черно-белого изображения для червя не существует. А вот оле­ни отличают серый цвет от других. Кони, овцы, свиньи, серны, белки и куницы различают цвета, но только в некоторых областях спектра. Большинство обезьян различает множество цветов. Особенно велика чувстви­тельность к цвету у шимпанзе. Восприятие цвета зави­сит от числа и спектральной характеристики приемни­ков, имеющихся в светочувствительных клетках зритель­ного анализатора того или иного животного. Так, светочувствительные клетки морской свинки обладают одним приемником, поэтому перед ней окружающий мир предстает в виде черно-белой фотографии. У чере­пахи два приемника, и она смотрит на мир как бы сквозь зеленые очки. Зрение пчел, так же как и человека, трех­цветно. Иначе говоря, у них есть приемники, «на­строенные» на три разных цвета, и все богатство красок воспринимается как определенная комбинация трех основных цветов. Но если для человека основными явля­ются красный, синий и зеленый, то для пчелы это сине-фиолетовый, желто-зелено-оранжевый и... ультрафиоле­товый. Да, именно так. Пчела, как мы уже знаем, «ви­дит» незримые для нас ультрафиолетовые лучи, и это помогает ей различать цвета, неразличимые для чело­века. Так же, как и у человека, зрительный аппарат п».'_лы снабжен сложнейшим автоматическим регулято­ром, обеспечивающим независимость окраски от усло­вий освещения. Именно поэтому пчеле, так же как и нам, желтый предмет кажется желтым даже тогда, когда под действием изменившегося солнечного освещения он будет в основном отражать зеленые лучи. Цветовым зре­нием обладают жуки, мухи и даже древнейшие насеко­мые — стрекозы. Огромные ячеистые глаза последних, как это удалось недавно установить, обладают интерес­ными особенностями. Оказывается, нижняя их часть ощущает цвета, а верхняя видит все однотонным, при­чем с наибольшей чувствительностью в голубой области спектра. Это еще раз свидетельствует о том, что при­рода формировала зрительные анализаторы живых су­ществ не только весьма «продуманно», но и очень ра­ционально, экономно. Действительно, верхняя часть глаза стрекозы всегда смотрит вверх и ей нужно заме­тить лишь черную мошку на фоне голубого неба. По­этому цветовое зрение в верхней части глаза было бы для стрекозы уже излишеством!
Как мы видим, за многие годы кропотливых исследо­ваний ученые собрали немало ценных сведений о цвето­вом зрении живых существ. Но большая часть добытых данных имеет чисто описательный характер. Для того же, чтобы создать модель органа зрения, которая могла бы различать цвета или опознавать образы, необходимо знать, как работает зрительный анализатор. Как удается, например, человеку отличить красный цвет от зеленого или различные оттенки одного цвета? Почему смесь основных цветов воспринимается как белый цвет? Ка­ким образом человек опознает образы — отличает, на­пример, стакан от чашки или узнает своих знакомых?
Исследование этой проблемы имеет первостепенное значение прежде всего для понимания работы мозга. Ведь все наше существование протекает в непрерывном контакте с окружающим миром, и, следовательно, наше поведение определяется им все время, без каких-либо исключений. С другой стороны, поскольку количество информации, доставляемой нам зрительно, по крайней мере в 1000 раз превосходит количество информации, получаемой остальными органами чувств, следовало бы использовать принцип организации зрительной системы человека для построения «видящих» автоматов. В отли­чие от обычной телевизионной системы, передающей только изображения, такие автоматы должны были бы обнаруживать и опознавать те или иные объекты, вы­полняя до известной степени те же функции, что и зри­тельная система. Наши глаза всегда готовы воспринять любую частоту из видимого спектра. Они обладают по­истине фантастической способностью различать оттен­ки цвета независимо от того, к какой области видимого света он относится. Специалисты установили, что глаз человека различает около 17 000 оттенков. Вполне воз­можно, что даже эта цифра преуменьшена и зрение че­ловека еще чувствительнее. А если учесть, что число различимых оттенков может доходить до... 100 миллио­нов (одних оттенков красного — почти 8 миллионов!), то не подлежит сомнению, что создание автоматов по образу и подобию нашего зрительного анализатора бес­предельно расширило бы возможности современной из­мерительной техники.
Пока еще сведения о психофизиологии зрения со­вершенно недостаточны для полного описания процес­сов цветоощущения и опознавания. Человек обычно не может объяснить, как он распознает образ. Пока физио­логам и психологам известны лишь отдельные качест­венные стороны этого процесса, но не правила и мето­ды, которыми пользуется человек. Не все аспекты зре­ния человека изучены одинаково подробно, и еще не все здесь достаточно ясно, особенно в отношении механиз­мов зрительного восприятия. Однако результаты много­численных экспериментальных исследований, прове­денных в последнее время, позволяют все же уже сей­час интерпретировать некоторые особенности этого процесса.
Известно, что в человеческом глазе цветовым зре­нием ведают клетки сетчатки — колбочки. Известно так­же, что у человека можно создать ощущение любого цвета, действуя смесью всего трех цветов — красного, зеленого и синего. Свет с длиной волны 0,66 мк — крас­ный, 0,57 мк — желтый. Именно эти цвета и увидит глаз, если его осветить излучением сначала с одной длиной волны, а затем — с другой. Но как только красные и желтые лучи попадут на сетчатку одновременно, мы воспримем это так, словно глаз был освещен единствен­ным источником света с длиной волны... 0,6 мк — оран­жевым светом. Но само «смешение сигналов» с разными длинами волн происходит в глазу отнюдь не по тем же законам, на основании которых проектируются супер­гетеродинные приемники и частотные конверторы. Здесь все несравненно сложнее.
Еще в 1802 г. английский ученый Юнг высказал пред­положение, которое было развито знаменитым немец­ким естествоиспытателем Гельмгольцем: глаз различает цвета потому, что колбочки сетчатки представляют со­бой чувствительные элементы, реагирующие на крас­ный, зеленый и синий свет.
Экспериментально были получены кривые зависи­мости чувствительности «красных», «зеленых» и «си­них» элементов сетчатки к излучению разной длины волны. По ним легко определить, какой из элементов будет возбуждаться сильнее, когда на сетчатку падает свет той или другой длины волны, какой — слабее, и выяснить, какой цвет увидит человек при попадании в глаз нескольких лучей разного цвета.
Если подобрать цветные лучи так, что все три чув­ствительных элемента глаза будут возбуждаться одина­ково, человек увидит белый цвет. Другими словами, цветной луч мы видим во всех случаях, когда цветочув-ствительные элементы — колбочки — возбуждены не­одинаково.
А каким образом они возбуждаются? Как мозг узнает о том, какая из колбочек возбуждена — «красная», «зе­леная» или «синяя»? Уже много лет существует хорошо аргументированная фотохимическая теория зрения, ко­торая состоит в следующем.
Попадая в глаз, световые лучи вызывают разложение светочувствительных веществ, содержащихся в колбоч­ках,— зрительных пигментов. Освобождающаяся при атом энергия вызывает нервный импульс. Однако пол­ный набор пигментов, находящихся в колбочках, и их природа пока неизвестны. Не вполне ясен пока и ме­ханизм возникновения возбуждения и его передачи от колбочек к мозгу. Исследования этих процессов приве­ли к неожиданным результатам.
Возбуждение нервного волокна, связывающего кол­бочку с соответствующим участком головного мозга, как и любого другого нервного волокна, состоит в изменении электрического потенциала клеток, из которо­го оно состоит. Электрический потенциал клетки непо­стоянен. В тот момент, когда она из спокойного состоя­ния переходит в возбужденное, наружная сторона клеточной поверхности становится отрицательно заря­женной по отношению к внутренней. Импульс длится одну-две десятитысячные секунды. Затем вновь восста­навливается первоначальное состояние. Возбуждение клетки всегда сопровождается изменением ее потен­циала.
М. М. Бонгард и А. С. Смирнов предположили, что информация о цвете, воспринимаемом колбочками, за­ложена в характере изменения потенциалов нервных волокон зрительного нерва.
Измерения потенциалов нервных клеток проводи­лись с помощью микроэлектродов — миниатюрных стек­лянных капилляров, заполненных раствором, хорошо проводящим электрический ток. Прочные стеклянные стенки изолируют электролит вплоть до самого кончика электрода. Такой микроэлектрод погружают в клетку и соединяют с другим, расположенным снаружи, через весьма чувствительный прибор. Таким образом удается с достаточной точностью измерять клеточные потенциа­лы, но только в том случае, если диаметр кончика элек­трода не превышает 0,5 мк. Стоит его увеличить до 1 мк — и он будет повреждать клетку при погружении — вскоре после «укола» клетка погибнет. Исследователей интересовало не столько статическое распределение по­тенциалов по клетке, сколько характер их изменения при облучении глаза разным светом, поэтому в качестве измерительного прибора был использован осциллограф. Экспериментировали с глазами обыкновенной травяной лягушки. Причем сначала ученые даже не знали, умеет ли лягушка различать цвета!
С изменением окраски пучка света, падавшего в глаз, менялись и биотоки сетчатки. Но не всегда. Иногда цвет менялся, а глаз лягушки на это не реагировал. Так уда­лось выяснить, что у лягушки только два типа цветочув-ствительных элементов — «голубые» и «красные» — и смесью этих двух цветов у нее можно вызвать ощуще­ние любого цвета. Лягушка видит примерно так же, как и люди-дальтоники, у которых в сетчатке всего два типа цветоприемников. Но тем не менее цветовое зрение у лягушки есть.
Как и предполагали исследователи, оказалось, что при воздействии пучками разного цвета нервные волок­на передают разные сигналы — одного вида при красном свете и другого при голубом. На красный свет волокна отвечали короткой серией импульсов, частота повторе­ния которых заметно уменьшалась со временем, а при достаточной длительной экспозиции импульсы пропада­ли совсем. При облучении глаза синим светом частота импульсов, передаваемых нервным волокном, изменя­лась медленнее. Итак, различие в характере сигналов, возникающих при облучении глаза светом разного цве­та, было установлено экспериментально.
И сразу же возникла идея о способе моделирования цветового зрения. При проведени-и опытов было замече­но, что законы, по которым нарастает ток фотоэлемента при облучении его синим и красным светом, неодинако­вы. (С помощью фотоэлемента экспериментаторы конт­ролировали яркость света, которым облучали лягушку.)
Оказалось, что при облучении синим светом ско­рость нарастания тока фотоэлемента значительно боль­ше, чем при облучении красным. И это наблюдение оказалось весьма полезным. В самом деле, ведь такой прибор можно использовать в качестве цветочувстви-тельного органа, сигналы которого позволят определить, какой цвет он «видит». Для этого следует только подать снимаемые с него импульсы на некоторое устройство, которое могло бы разделять их по крутизне фронтов. Если проходит импульс с крутым фронтом, устройство «решает», что фотоэлемент освещается синим светом; если фронт растянут, значит, свет красный,
Такая модель была создана. И она безошибочно от­личала красный свет от синего, но только в том случае, если энергетическая яркость обоих пучков оставалась по­стоянной. Если же яркость пучка синего света постепен­но увеличивалась, то модель ошибалась и называла его красным. И с этим ничего нельзя было сделать: ведь для модели соответствующее такому изменению осве­щенности медленное нарастание тока фотоэлемента служит признаком именно красного цвета. Попутно вы­яснилось, что человеческий глаз тоже делает такого рода ошибки. Далее. При длительной экспозиции ток фотоэлемента в весьма короткое время достигает неко­торой установившейся величины (время нарастания импульса), и только в этом интервале времени модель может определить, красный ли свет падает на нее или синий. По величине установившегося тока об этом су­дить нельзя. Но и здесь налицо аналогия с особен­ностью человеческого зрения. Ведь мы видим неподвиж­ные предметы только благодаря непрерывному подерги­ванию глазных яблок — тремору. Был проделан такой опыт. Непосредственно к глазному яблоку прикреплял­ся с помощью присоски небольшой диапозитив. Естест­венно, что он двигался вместе с глазом и на сетчатку проектировалось его неподвижное изображение. И че­ловек переставал видеть картинку, не говоря уже о ее расцветке.
Почему для зрительного восприятия неподвижных предметов нужен тремор? Фотохимическая теория зре­ния на этот счет не может дать никаких объяснений. А вот почему фотоэлемент (в котором не происходит химических реакций, но с помощью которого модель тем не менее различает цвета) выдает информацию о цвете только за время установления процесса, это ясно из предыдущего. Кстати, роль мышцы, двигающей глаз и таким образом делающей видимыми неподвижные предметы, может в модели с успехом исполнять, напри­мер, обтюратор кинопроекционного аппарата.
Итак, ученым удалось создать устройство, обладаю­щее цветовым зрением, но эта функция моделируется без помощи каких бы то ни было фотохимических реак­ций. В приборе используется фотоэффект. На этом основании авторами исследования была выдвинута но­вая, фотоэлектрическая теория зрения. Однако ни ста­рая — фотохимическая, ни новая — фотоэлектрическая теории не могут пока удовлетворительно объяснить ряда экспериментальных данных, касающихся устрой­ства и функционирования органов зрения. Накопление фактов и обобщения делаются во многих лабораториях мира. Результаты не должны заставить себя ждать.
Цветоощущение — это лишь одна сторона проблемы зрения. Другой ее аспект, давно привлекший внимание ученых, — возможность моделирования узнавания, или, как говорят специалисты, работающие в этой области, опознавания образов.
Опознавание образа заключается в выборе одного образа из системы образов, накопленных и классифи­цированных по определенным признакам. Для челове­ка — это выбор из системы образов, сложившихся в те­чение его жизни.
Проделаны эксперименты, однозначно подтверж­дающие первостепенную роль выбора в процессе опо­знавания. Подсчитано, что число образов типа «печь», «стул», «стол» и т. д. составляет у взрослого человека всего около 1000. Достаточно четкое изображение лю­бого из этих предметов-образов будет с большой долей вероятности (или попросту — почти наверное) опозна­но человеком. Как нам это удается?
Каждый светочувствительный элемент сетчатки че­ловеческого глаза (палочки и колбочки) воспринимает проектируемое на нее хрусталиком изображение, обра­зуя своеобразное мозаичное панно. Каждый элемент мозаики имеет определенный тон — от черного до бело­го. В самом деле, ведь палочки и колбочки расположены на некотором расстоянии друг от друга и реагируют на яркость только того участка объекта, который проекти­руется на каждую из них в отдельности. Поэтому падаю­щее на сетчатку изображение имеет вид густо располо­женных точек, отличающихся по яркости, а расстояние между ними соответствует расстоянию между свето­чувствительными элементами. Такое изображение очень похоже на обыкновенное газетное клише. В нем яркость отдельных элементов не изменяется хаотически, а в основном определяется распределением яркости по объекту. Весьма немногочисленные элементы изображе­ния, соответствующие границе между разными по тону

его участками, значительно отличаются по яркости от своих соседей.
Такие элементы образуют контурные линии, и имен­но с ними связана наибольшая часть информации. В этом легко убедиться, если вспомнить, например, как легко по шаржу, дающему очень неполное представле­ние об оригинале, узнать человека.
При опознавании сложного образа не требуется его расчленение на все простейшие конфигурации, из кото­рых состоит сам образ, хотя, если это потребуется, зрительная система может детально проанализировать изображение, подобно тому как это делается в пере­дающих телевизионных трубках. (Такая аналогия, ра­зумеется, весьма поверхностна. Речь идет о том, чтобы просмотреть изображение «все как есть».)
Однако такое подробное рассмотрение изображения было бы избыточным. Для опознания образа необходи­мо выделить в его изображении лишь главное, первосте­пенное, устранив избыточность, которую создают де­тали, имеющие малую информационную ценность.
Избыточность может быть устранена путем исключе­ния многократно повторяющихся сигналов от «статич­ной», не меняющейся информации — ведь не видят же лягушки неподвижных предметов. Кроме того, инфор­мация об образе кодируется. Применительно к зритель­ной системе (как и к любой другой системе обработки информации) кодирование представляет собой наибо­лее экономный способ описания образа.
Таким образом, зрительная система не просто пере­носит в наш мозг информацию о распределении ярко­сти на отдельных участках сетчатки, а уже с момента, когда на ней появляется изображение, выделяет его ха­рактерные элементы, признаки, «не обращая внимания» на те его участки, которые не несут информации об увиденном. Мозг получает эту информацию и удержи­вает ее — человек запоминает образ.
Дальнейшее как будто несложно. В нашей памяти хранятся признаки некоторого количества образов, на­копленные в процессе «обучения», т. е. попросту за время, прошедшее с тех пор, когда мы в раннем детстве стали «опознавать» окружающие нас предметы. Мозг, воспринимающий какой-либо образ, сравнивает при­знаки последнего с соответствующими признаками, хра-
яо
нящимися в памяти, и в случае обнаружения их сходства решает, что именно видит человек.
Однако на самом деле, для того чтобы облегчить опознавание, мозг еще раз обрабатывает информацию, поступающую от зрительного анализатора, — человек формализует образ. Мозг продолжает работу, начатую органами зрения, — он выделяет из всех признаков, о которых в каждом случае сообщает глаз, лишь наиболее существенные, характерные для данного образа или группы образов. На основании этих сведений человек, видевший, например, овчарку и бульдога, с уверенностью скажет, что такса — собака, несмотря на то что живот­ные этих трех пород несколько отличаются друг от дру­га но внешности. Или, скажем, для ребенка, видевшего лошадь только лежащей или стоящей, не составит тру­да опознать ее, если она будет бежать.
В умении человека отвлекаться от несущественного заложена основа нормальной деятельности его мозга. Ведь если бы зрительный анализатор человека был по­добен телевизионной системе, не сортирующей переда­ваемую информацию по степени важности, то многообра­зие впечатлений внешнего мира быстро переполнило бы его мозг. В самом деле, зрительный нерв состоит при­мерно из 1 миллиона волокон. По ним с сетчатки в те­чение 0,1 сек поступает в мозг такое же количество сведений об элементах изображения, а за несколько минут эта цифра возрастет до десятков миллиардов и превысит общее число нейронов в коре больших полу­шарий. Таким образом, емкость всего мозга, а не толь­ко его зрительных отделов, была бы израсходована в течение нескольких минут.
Так в чем же состоит трудность моделирования про­цесса опознавания? Ведь уже теперь существуют маши­ны с памятью огромной емкости, которые могли бы запомнить колоссальное количество признаков и сравни­вать по ним образы, подлежащие опознаванию. Что же касается избыточности информации в образах, то кон­структор мог бы, вероятно, придумать некое устройство, которое устраняло бы ее. Так и поступают, когда соз­дается машина, которая должна решать какую-либо одну задачу или узкую совокупность задач. Однако наличие у машины большой памяти нисколько не может помочь при моделировании опознавания по той причине, что для работы любой вычислительной машины нужно со­ставить программу, в которой задача опознавания была бы полностью формализована. Таким образом, едва ли не самую важную часть «работы по опознаванию» дол­жен проделать в этом случае сам программист.
Далее, ограничивая объем поступающей в машину информации, исключая все «ненужное», мы опять-таки выполняем за нее часть работы и при этом ограничи­ваем ее возможности. Ведь то, что в одной ситуации несущественно, в другой может оказаться весьма суще­ственным.
Итак, для моделирования процесса опознавания не­обходимо со дать машину, которая сама составляла бы для себя программу, сама определяла бы, что существен­но для решения данной задачи, и не обращала бы вни­мания на избыточную (для данной задачи) информа­цию. Иными словами, конструировать обучающуюся машину следует так, чтобы она могла, подобно человеку, накапливать в процессе обучения некоторый опыт и в соответствии с ним самостоятельно выбирать линию по­ведения и сортировать получаемую информацию по степени ее важности. Устройство, справляющееся с та­кими обязанностями, будет весьма близко к мозгу че­ловека.
Однако моделирование психической деятельности человека — чрезвычайно трудная задача. Дело в том, что люди сами не знают достаточно подробно — а в этом случае именно подробности определяют успех дела,— как они учатся, как приобретают опыт, каким образом и какие именно признаки образов, хранящиеся в памяти человека, используются в процессе опознавания, как протекает этот процесс и т. д. Мозг функционирует «сам по себе», «автоматически», его работа проходит мимо нашего сознания, и ее очень трудно анализировать. Для того чтобы разобраться в деятельности мозга, необхо­димы обстоятельные физиологические и психологиче­ские исследования. Но уже тех сведений самого общего характера, которыми располагают специалисты сегодня, оказалось достаточно для создания первых, еще очень несовершенных, но тем не менее действующих обучаю­щихся машин, которые могут опознавать образы. У нас и за рубежом уже построены машины, которые по окон­чании курса обучения могут уверенно опознавать руко­писные знаки и простые геометрические фигуры, напри­мер круг и прямоугольник.
Одна из первых систем для опознавания геометри­ческих образов была создана в США группой ученых под руководством доктора Розенблата. Система была названа перцептроном (от английского «perception» —

Рис. 11. Упрощенная схема перцептрона,
поясняющая принцип его действия. Р — рецепторные (чувствительные) ячей­ки; А — ассоциирующие ячейки; Э — эф-фекторная ячейка.

восприятие), а ее первая модель — «Марк-1». Очень упрощенная схема модели представлена на рис. 11.
Электроннооптические преобразователи системы, воспринимающие световые сигналы от изображения и преобразующие их в электрические сигналы (эта часть системы воспроизводит функции светочувствительных элементов глаза — рецепторов), образуют матрицу из 400 рецепторов (фотоэлементов), каждый из которых имеет два выхода. При освещении фотоэлемента на одном из его выходов появляется положительный, а на другом — отрицательный сигнал. Каждый выход рецеп­тора соединен с несколькими ассоциирующими ячейка­ми (ячейками памяти), которых в системе 512. Эти соединения имеют совершенно случайный, беспорядоч­ный характер: ведь физиологи, как известно, считают, что связи между ассоциирующими клетками мозга так­же организованы без определенной системы, случайно.
Таким образом, сигнал от одного рецептора, скажем Рз, возбуждает не отдельный ассоциирующий элемент, в котором накапливается определенная информация, а, как видно из рис. 11, большинство элементов памяти. Если алгебраическая сумма сигналов, поступающих в какую-либо ассоциирующую ячейку от рецепторных, больше нуля и превышает некоторую пороговую вели­чину (в простейшем случае — положительное напря­жение, снимаемое с соответствующего выхода рецеп­тора), то такая ассоциирующая ячейка возбуждается и посылает сигнал в эффекторную (реагирующую) ячей­ку. Суммарная величина сигналов, поступающих в эффекторную ячейку, сравнивается в ней с заранее уста­новленным пороговым значением, и, если она оказы­вается больше порога, эффекторная ячейка срабатывает.
При этом может произойти ложное срабатывание (учитывая случайный характер монтажных соединений, оно вполне возможно), т. е. эффекторная ячейка может сработать, когда предъявленный перцептрону объект не должен опознаваться. Тогда оператор, занимающий­ся «обучением» перцептрона, изменяет параметры ас­социирующих ячеек (служащих аналогами нейронов) и добивается от устройства правильной реакции. Таким же методом вырабатывается правильная реакция пер­цептрона и в противоположном случае, когда подлежа­щий опознаванию объект остается неопознанным. После некоторого периода «обучения» перцептрон в дальней­шем «самостоятельно» принимает правильные решения. Блок-схема перцептрона приведена на рис. 12.
Американские военные проявили к новой машине живейший интерес. По заданию Управления исследова­ний ВМФ США ее эффективность проверяли при рас­шифровке фотоснимков. Эксперименты показали, что перцептрон обеспечивает надежное опознавание «оди­ночных целей и целей, окруженных другими по форме объектами». Было отмечено, в частности, что опыты по опознаванию самолетов и ангаров оказались весьма успешными (100% случаев опознавания ангаров и 92% случаев опознавания самолетов в укрытиях). Исследова-

ния были проведены с целью повышения эффективно­сти использования фотоснимков, сделанных с метеоро­логических и разведывательных спутников — «воздуш­ных шпионов». Дело здесь в том, что в настоящее время для расшифровки фотографий, сделанных за один час работы аппаратуры разведывательного спутника «Са­мос», требуется затратить десятки тысяч человеко-часов. Поэтому результаты, подтвердившие эффективность

Рис. 12. Блок-схема перцептрона. 1 — поле рецепторов; 2 — случайные соеди­нения; 3 — блок ассоциирующих ячеек; 4 — эффекторные ячейки.

первого перцептрона, были должным образом оценены и спустя некоторое время была начата разработка новой его модели «Марк-2»; число фоторецепторов в ней было увеличено в 10 раз, а емкость памяти — в 20 раз. Пред­полагается, что это должно значительно увеличить опо­знавательные способности перцептрона.
Но вернемся к модели «Марк-1». Она оказалась спо­собной опознавать любую букву после того, как послед­няя была показана устройству 15 раз; после каждого верного ответа перцептрон получал «подтверждение» от эффекторов в ассоциирующие ячейки (за этим следил оператор, обучавший машину).
Читающие машины типа «перцептрон» до недавнего времени успешно справлялись только с печатными бук­вами или с буквами, написанными от руки, но печатным, очень четким шрифтом. При этом текст оказывался «по плечу» машине, если каждая буква или цифра была отделена от соседних промежутком. В противном слу­чае перцептрон «терялся».
Это ограничение возможностей машины, вытекаю­щее из несовершенства ее конструкции, уже преодоле­но: создана машина, способная читать обычный руко­писный текст, в котором одна буква непосредственно переходит в следующую. Машина читает слова, напи­санные любым почерком, лишь бы он был разборчив. Интересен принцип построения, позволивший создать такую машину.
Следящий штифт воспринимающего устройства как бы сам собой, а на самом деле с помощью весьма слож­ной автоматики, следует за темной линией, образующей букву. Электронное устройство учитывает, анализирует и ненадолго запоминает движения штифта. Далее ма­шина сравнивает длину, высоту и кривизну отдельных элементов букв, а также расстояние между ними и поря­док их следования с соответствующими элементами, ко­торые она запомнила в процессе обучения, и, наконец, опознает буквы, читает их одну за другой.
Интересно, что при чтении рукописных текстов успех дела очень часто зависит от способности читаю­щего угадать смысл небрежно написанного слова из связи с предыдущими и последующими, а угадывать при­ходится из-за одной-двух непонятных букв в слове. Ма­шина справляется и с этой задачей. Когда читающее устройство сообщает о том, что написана некая буква, которая лишает слово смысла, другое устройство, кото­рое следит за порядком в словах, заставляет штифт вернуться и прочесть ее заново. При чтении русского текста это устройство стало бы принимать меры, если бы ему было сообщено о слове, начинающемся с буквы «ь», сочетаниях типа «врж», «счп» и т. д.
Перцептроны представляют собой новый класс «ин­теллигентных» машин. Это определение может вызвать сомнения, но тем не менее оно отражает существо дела. Новые машины обучаются. При этом они запоминают, «усваивают» пе все подряд, а только то, что необходимо для успеха дальнейшей «деятельности». Они анализиру­ют, сопоставляют, обобщают. А это и есть то самое мышление, которое «выводит всеобщее из отдельных вещей», как говорил великий Авиценна. Машины, опо­знающие буквы и цифры, отличающие круги от тре-

угольников, «мыслят», но еще в очень скромных мас­штабах.
По последним сообщениям американской печати, в Лаборатории применения вычислительных методов в биологии Иллинойского университета разрабатывается электроннооптическая модель нервной сети человече­ского глаза. В основу создаваемой модели будет поло­жен метод параллельного счета, воспроизводящий осо­бенности передачи информации от ганглиозных узлов
Запоминающая


Рис. 13. Блок-схема электронной модели глаза.

сетчатки в соответствующие нервные центры коры больших полушарий головного мозга. Однако в настоя­щее время на первом этапе исследований отрабаты­вается экспериментальный образец последовательной модели нервной сети глаза, состоящей из ряда запоми­нающих электроннолучевых трубок (ЭЛТ) (рис. 13). Информация от соседних элементов изображения, по­падающих в поле зрения телекамеры, будет считываться двухкоординатным сканирующим устройством и накап­ливаться на мишенях запоминающих ЭЛТ. С мишени предыдз'щей трубки она будет налагаться на мишень по­следующей трубки системы. Таким образом, на мишени последней трубки будет накоплена вся информация, соответствующая характеристике контура в целом. Идея параллельной модели нервной сети человеческого гла­за заключается в одновременной параллельной обра­ботке элементарной информации, на основе которой накапливаются уже исчерпывающие сведения, необхо­димые для опознавания. По словам руководителя работ доктора Форстера, в дальнейшем предполагается создать еще и компактные усовершенствованные образцы си­стем, обрабатывающих информацию за очень короткий срок (примерно за 10˜9 сек). Такие модели будут зани­мать объем обычной пишущей машинки. По быстродей­ствию эти системы превзойдут возможности человече­ского глаза, опознающего объект за время порядка 10 мксек.
Предполагается, что запоминающие возможности ЭЛТ, снабженных электронной системой сканирования мишени по двум координатам, позволят осуществить тот качественный скачок в моделировании нервной системы глаза, которого можно достичь только при развитии параллельных вычислительных систем, предлагаемых доктором Форстером. Безусловно, эти системы будут чрезвычайно сложны. Так, в первой модели системы, разрабатываемой в лаборатории под руководством Гас-села, запоминающие возможности ЭЛТ использованы только на 64% (растр разложения трубки состоит из 400 строк по 400 точек в каждой). В эксперименталь­ной системе матрица разложения состояла всего из 256 строк по 256 точек в каждой. Но и тогда общее чис­ло чувствительных элементов уже составляло 65 536. (В центральной ямке сетчатки глаза содержится всего 30 000 чувствительных элементов.) Конечно, такие сверх­сложные системы могут создаваться только на основе новых твердотельных устройств и микроминиатюрной электронно-оптической техники. Но даже в таком слу­чае электронная модель глаза, очевидно, не сможет воспринимать информацию, связанную с изменениями направления движения, яркости и цвета предметов. Пока она способна узнавать только двумерный образ пред­мета. Однако в дальнейшем параллельная вычислитель­ная система, снабженная уже двумя передающими ка­мерами, сможет моделировать и объемное зрение. По утверждению разработчиков, создание такой системы будет способствовать развитию вычислительного устрой­ства «Numa Rete», считывающего со скоростью 20 000 предметов в секунду случайные объекты независимо от их размера, места расположения, формы и освещенно­сти. Каждый считываемый предмет имеет определенные границы (края). Устройство «Numa Retc» содержит плоскую матрицу из 400 фотоэлементов и, по существу, считывает именно края, фиксируя границы предметов. В этом смысле его можно назвать «детектором границ». Этот принцип в настоящее время положен в основу ра­боты электронных моделей зрительных анализаторов и получил название «логики близости» (Neighborhood Logic). Д-р Форстер пояснил существо логики такого типа следующим образом. Каждый одномерный линей­ный объект представляет собой препятствие для света и имеет два «конца». Если путь света на «детектор гра­ниц» преграждает N объектов, то возбуждаются 2N нерв­ных волокон. Следовательно, общее число объектов, находящихся в поле зрения сетчатки, равно половине возбужденных нервных волокон.
В параллельной вычислительной системе сканирова­ние ведется по двум координатам и фиксируется не только общее число объектов Л/, но и отдельно число объектов Nc, ограниченных изогнутыми поверхностями. В такой системе осуществляется электронное сканиро­вание реального изображения, запечатленного на мише­ни запоминающей трубки. Этот метод позволяет моде­лировать процесс восприятия контура изображения, опознавания предмета и относительной оценки его осо­бенностей на основе постепенного исследования сте­пени контрастности соседних элементов черно-белого изображения и интервалов яркости цветного изобра­жения, а не на основе восприятия всего предмета в це­лом. В этом и проявляется логика близости. Использо­вание логики близости в вычислительных системах по­зволит со временем опознавать такие особенности зрительных образов, как форма, топологическая связь, движения образа, мерцания и т. д.
Сейчас еще трудно сказать, насколько сложной будет работа, которую смогут выполнять будущие системы, построенные по образу и подобию зрительного ана­лизатора человека. Их можно будет научить быстро отыскивать нужную фотографию и выделять в ней по

неуловимым для человека признакам интересующую его информацию, безошибочно диагностировать болезни по рентгенограммам, определять характер «событий», сле­ды которых фотографируют с экранов осциллографов или в пузырьковых камерах. Они смогут выполнять функции операторов у пультов управления, им можно будет поручать ввод данных в вычислительную машину, определение глубины залегания полезного геологиче­ского слоя, наведение беспилотных аппаратов, астрона­вигацию, сортировку почтовой корреспонденции, на­блюдение за уличным и железнодорожным движением и многое другое. Одна машина, будучи обучена выполне­нию тех или иных функций, сможет научить всему, что умеет сама, сколько угодно других. «Зрячие» машины совершат в технике революцию, которая будет равно­ценна появлению самих электронных машин.

Беседа тринадцатая

На пути
к искусственному мозгу


Что может быть для человека важнее его соб­ственного мозга? Однако наши сведения о структуре и функциях мозга в настоящее время еще весьма неполны, зачастую основаны лишь на догадках. О нем мы знаем значительно меньше, чем о других органах. Давно ли, например, считалось непреложной истиной, что живые существа лишены «магнитного чувства»? Но вот про­делали такой опыт. Человеку в состоянии гипноза вну­шили определенные зрительные образы: яркий солнеч­ный день, тихое лесное озеро, цветы на лугу... И вдруг этот образ начал искажаться, как на экране испорчен­ного телевизора, затягиваться туманной дымкой, разру­шаться и исчезать. Что же произошло? А это к одному из центров больших полушарий, заведующему формиро­ванием зрительных образов, поднесли постоянный маг­нит, забаву школьника, и, как оказалось, магнитное поле непосредственно повлияло на процессы, происходящие в этом центре.
Приведем другой, не менее разительный факт, с ко­торым не так давно столкнулись ученые. Оказывается, если воздействовать слабым электрическим током на так называемую интерпретационную, или толкователь­ную, область, занимающую на поверхности больших полушарий головного мозга часть обеих височных до­лей, то в сознании человека пробуждаются, казалось бы, безвозвратно утраченные воспоминания. Оживают случайно слышанные, забытые мелодии, возникают дав­но угасшие мысли...
В каких глубинах подсознания хранились эти карти­ны, представления и звуки давно минувших лет? Как научиться вызывать определенные воспоминания и ра­ционально использовать таким образом необъятную кладовую человеческой памяти? Ответы на все эти во­просы пока еще не получены.
И все же, как ни далеки мы от полного познания сущности всех неимоверно сложных процессов, проис­ходящих в нашем мозгу, нам удалось создать немало замечательных «мозгоподобных» машин, о которых лет двадцать тому назад — это можно смело сказать, не греша против истины, — не мечтал даже сам Норберт Винер, «отец кибернетики». Эти машины предсказывают погоду, в сотни тысяч раз быстрее человека производят сложные вычисления, отменно играют в шахматы, рас­шифровывают древние письмена, на расстояниях в сотни километров управляют технологическими процессами в цехах и на целых заводах, самостоятельно читают, пе­реводят и записывают тексты, вычисляют траектории полетов космических кораблей и наиболее экономично планируют на десятилетия вперед производство целых отраслей промышленности, сберегая миллионы часов че­ловеческого труда.
Однако, при всех своих «способностях», современ­ные кибернетические машины во многом уступают воз­можностям человеческого мозга. Наш мозг, как извест­но, выполняет несоизмеримо более сложные задачи регулирования и управления, чем любая кибернетиче­ская машина. Более того, он в совершенстве и с боль­шой легкостью осуществляет ряд функций, которые пока не по силам электронным автоматам. В частности, мы имеем в виду решение широкого круга задач без предварительного программирования, распознавание об­разов и многое другое.
Глубокое изучение процессов мышления, исследова­ния в области теории самоорганизующихся и обучаю­щихся систем имеют для бионики первостепенное зна­чение. Следует признать, что здесь получено еще очень мало результатов, которые можно было бы использовать для полноценного моделирования и воспроизведения высшей нервной деятельности человека. Пока мы можем только сказать, что определился большой круг проблем, от решения которых в принципе зависит реализация этого грандиознейшего и сложнейшего из человеческих замыслов.
В беседе «Зрячие машины» мы упомянули о том, что мозг обладает способностью сопоставлять, анализиро­вать и обобщать получаемую им информацию. Сущест­венно, что при этом он выделяет из нее и запоминает наиболее важное и после закрепления образовавшихся связей освобождает память для новых сообщений. Эту его особенность удалось промоделировать средствами современной электроники; однако, хотя ассоциативная память перцептронов оказалась достаточно эффектив­ной, до сих пор неясно, верно ли она воспроизводит данную функцию мозга.
Человек всегда помнит больше, чем ему кажется. Од­нажды полученные впечатления могут уходить из центра внимания, но не изглаживаются из памяти окончательно. Так, например, французскому рисовальщику Гюставу Доре (автору широко известных иллюстраций в книгах «Гаргантюа и Пантагрюэль» Ф. Рабле, «Дон Кихот» М. Сервантеса и др.) издатель однажды поручил сделать рисунок с фотографии какого-то альпийского вида. Доре ушел, не захватив с собой фотографию. На следующий день он принес совершенно точную копию. Известно также, что самый удачный портрет президента Линколь­на был написан провинциальным почитателем, видев­шим его всего лишь один раз. По свидетельству совре­менников, Юлий Цезарь и Александр Македонский знали в лицо и по имени своих солдат, а ведь их было очень много — 30 тысяч. Рассказывают, что Моцарт точ­но записал большую и сложную симфонию, услышан­ную только один раз. Композитор А. К. Глазунов легко восстановил утраченные партитуры больших музыкаль­ных произведений. С. В. Рахманинову достаточно было один раз услышать фортепьянный концерт, чтобы точно воспроизвести его. А. Алехин помнил все сыгранные шахматные партии и, не глядя на доски, мог одновре­менно играть с 30 — 40 партнерами.
Установлено с абсолютной точностью, что мимо на­ших глаз и ушей ничто не проходит бесследно, только не все воспринимаемое мы успеваем осознать. Так, не­давно в одном из английских кинотеатров по заказу нескольких торговых фирм был проделан такой опыт. В пленку с фильмом вмонтировали кадры, рекламирую­щие мороженое и прохладительные напитки. Вставки мелькали, задерживаясь в поле зрения лишь на V25 сек,— этого мало, чтобы сознание успело отметить их, но глаз не пропускал ничего. После просмотра фильма продажа мороженого и воды повысилась почти вдвое!
К счастью, мозг не захлестывается непрерывным потоком обрушивающихся на него различных сведений и сообщений. Способность забывать — вернее, прятать вглубь — такое же бесценное свойство мозга, как и спо­собность запоминать. Но достаточно какой-нибудь встряски, и архивы памяти начинают вдруг раскручивать бесконечную ленту воспоминаний. Так, полагают, что за короткие мгновения перед мысленным взором уто­пающих с поразительной четкостью проносятся картины всей их предыдущей жизни. Еще один пример — моло­дая женщина переехала из Польши в Россию и вскоре забыла родной язык. Но в возрасте 70 лет она перенесла кровоизлияние в мозг и снова заговорила по-польски.
История сохранила для нас и такой столетней дав­ности любопытный факт. Безграмотная женщина без­выездно прожила всю жизнь в маленьком немецком городке. Однажды она тяжело заболела и в бреду, на удивление всем, произносила длиннейшие монологи на нескольких непонятных для окружающих языках. Свя­щенник заподозрил ее в колдовстве, и неизвестно, чем бы это кончилось, если бы не вмешался врач, пригласив­ший к постели больной ученых. К великому своему удивлению, они узнали латинский, древнегреческий и древнееврейский языки. Оказывается, в десятилетнем возрасте больная была служанкой в доме пастора, кол­лекционировавшего древние священные книги, которые он часто читал вслух, прохаживаясь перед ее каморкой. Ее память бессознательно фиксировала услышанное и сохранила все это в тайниках мозга.
И еще один пример. В начале XIX века камердинер испанского посла в Париже, заболев горячкой, в бреду начал читать наизусть сложные политические трактаты, проявляя редкую осведомленность в вопросах диплома­тии. Посол не верил своим ушам и намеревался сделать камердинера секретарем посольства, полагая, что он приобретет в его лице ценного сотрудника, своего рода живой справочник. Увы, по выздоровлении слуга снова превратился в усердного служащего, но недалекого че­ловека. Он даже не подозревал, что память его хранит несметные сокровища знаний...
И еще один, последний пример. Вальтер Скотт рабо­тал над романом «Айвенго», находясь в болезненном состоянии. Впоследствии весь период работы над книгой выпал из его памяти, и, когда ему показали экземпляр только что отпечатанной книги, он не признал ее своей и сказал, что ничего о ней не знает и не помнит. Вот какие шутки иногда выкидывает человеческая память!
Что же такое память? Где она расположена, каков механизм ее работы? Есть ли вещество — носитель па­мяти? Что происходит у пас в мозгу, когда мы запоми­наем, вспоминаем или забываем? Запоминает ли весь мозг или памятью ведают отдельные группы нервных клеток? Какой ключ заставляет кладовые пашей памяти то послушно распахиваться настежь, то приоткрывать лишь щелку? Выдающийся американский математик Джон фон Нейман сравнительно недавно сказал по этому поводу следующее: «О природе и местонахожде­нии памяти мы знаем не больше, чем древние греки, считавшие местонахождением разума диафрагму».
Проблема изучения памяти, ее механизмов является сейчас одной из самых актуальных проблем в физиоло­гии, кибернетике и бионике. Механизм памяти таит в себе своеобразное очарование, потому что он лежит в основе всех способностей человека к познанию и во­ображению. «Мне кажется,— писал Анатоль Франс,— что память — волшебная сила, что дар воскрешать про­шедшее столь изумителен и драгоценен, как дар пред­видеть будущее». В познании этой «волшебной силы» сегодня больше всего заинтересованы творцы электрон­ных систем, мечтающие о создании искусственного моз­га — машины фантастических возможностей.
В настоящее время существует множество различных определений памяти. Одно из них предложено Е. Н. Со­коловым; оно не очень сложно и не очень запутано и гласит: «Система обладает памятью, если она содержит в себе некоторую информацию о сигнале после того, как сигнал перестал действовать». В 31-м томе 2-го изда­ния БСЭ дается следующее определение: «Память — запечатлевание, сохранение и воспроизведение того, что ранее человек воспринимал, переживал, делал, ду­мал». И наконец, в «Энциклопедическом словаре» на­писано: «Память — отражение прошлого опыта, заклю­чающееся в запоминании, сохранении и последующем воспроизведении или узнавании того, что раньше вос­принималось, переживалось или делалось».
Итак, одно из основных проявлений памяти — узна­вание и воспроизведение. Узнавание образов — это то проявление памяти, которое обычно связано с восприя­тием. Воспроизведение же не обязательно происходит одновременно с процессом восприятия. Например, пиа­нист может сыграть наизусть знакомую ему пьесу; за­крыв глаза, вы можете воспроизвести лицо знакомого вам человека, вид вашей комнаты или однажды увиден­ный и полюбившийся вам ландшафт, скажем, в Карпа­тах. Восприятие информации и ее фиксация — это условия ее сохранения в памяти, а узнавание и воспро­изведение — это обнаружение того, что данная инфор­мация сохранилась в памяти.
Рассмотрим теперь некоторые количественные пара­метры памяти человека.
В определении емкости нашей памяти существуют значительные расхождения. Ученые оценивают ее вели­чину по-разному: от полутора миллионов (1,5-106) до миллиона миллиардов (1015) и даже до 1023 бит*). Для оценки этой емкости используются различные подходы. Так, например, Кюмфмюллер при определении мини­мальной емкости памяти исходит из способности чело­века усвоить 100 тысяч (105) слов языка. При этом сред­нюю длину слова он принимает равной 6 буквам, а ко­личество информации, приходящейся на одну букву в устной речи, 1,5 бит и в письменной — log232 = 5 бит. Это дает для минимальной емкости памяти
М„вв = (1,5 + 5) • 6 ¦ 105 = 3,9 ¦ 10е бит.
Миллер оценивает пределы емкости памяти, исходя из следующих психофизиологических наблюдений. Ми­нимальную емкость он оценивает в 1,5-106 бит, полагая, что человек способен запомнить (выучить наизусть) по крайней мере 1000 комплексов, равноценных таблице умножения, которая содержит 1500 бит информации. Максимальное количество информации он оценивает, исходя из предположения, что человек в течение 80 лет своей жизни ежедневно запоминает информацию по 16 час со скоростью 25 бит/сек, что является, по наблю-
*) Бит — единица информации в двоичной системе.

дениям психологов, максимальной скоростью восприя­тия. Отсюда получается величина
Мшю = 25 бит/сек¦ 3600 сек-16-365¦ 80 = 4,5• 1010 бит.
И. Гуд, считающий, что запоминание определяется изменением состояний синапсов и что каждый синапс может находиться по крайней мере в 10 различных со­стояниях, оценивает память человека емкостью
Л/= 10-30 101о = 3-1013 бит,
где число 30 — число синапсов в расчете на один ней­рон, а 1010 — число нейронов в коре головного мозга.
Джон фон Нейман в своей книге «Вычислительная машина и мозг» подсчитал, что емкость памяти человека должна составлять 2,8 • 1020 бит информации. Если для записи одного бита требуется один двухпозиционный переключатель, то отсюда следует, что на каждый ней­рон в нервной системе должен приходиться объем памя­ти, эквивалентный 30 миллиардам таких переключателей!
X. фон Фёрстер считает носителями долговременной памяти молекулы белка, которые он назвал «мнемами». Исходя из того, что объем мозга равен 103 см3, объем одной молекулы белка равен 10˜18 см3 и каждая моле­кула может накопить минимум 1 бит информации, фон Фёрстер оценивал емкость памяти человека астрономи­ческой цифрой... 1021 бит\
Это, безусловно, крайне завышенная оценка. В дей­ствительности, по-видимому, нет необходимости захо­дить так далеко. Надо полагать, что истинные пределы емкости человеческой памяти составляют 1010—1015 бит, тогда как запоминающие устройства (ЗУ) современных электронных вычислительных машин (ЭВМ) способны накапливать до 106— 107 двоичных единиц информации. И если бы мы захотели построить ЭВМ с ЗУ, равным емкости человеческой памяти, то при всем нашем жела­нии мы этого не смогли бы сделать ни сегодня, ни зав­тра, ни даже в ближайшие десятилетия, так как общее число всех электронных ламп и транзисторов, имею­щихся сейчас на всем земном шаре, едва соизмеримо с числом нейронов в мозге одного человека.
Необходимо также отметить огромную удельную ем­кость памяти биологических систем по сравнению с памятью технических запоминающих устройств. Если в лучших технических ЗУ эта величина (с учетом схем управления) достигает 103 бит/см3, то предполагаемая удельная емкость для мозга составляет около 1018 бит/см3.
Практически кладовые нашей памяти бездонны. Трудно представить себе ситуацию, в которой память была бы настолько заполнена информацией, что человек больше не мог бы воспринимать и запоминать новую информацию. Это резко отличает память человека от машинной памяти, в которой подобная ситуация — не­возможности ввода новой информации из-за заполнения всех запоминающих ячеек — возникает весьма часто. Объяснение этого замечательного свойства памяти че­ловека заключается вовсе не в безграничной потен­циальной возможности фиксации информации, а в на­личии своеобразных психофизиологических механиз­мов, предохраняющих мозг от «переполнения» инфор­мацией. У одних людей эти механизмы отличаются боль­шей бдительностью, у других они более «либеральны». С этих позиций легко объяснить случаи так называемой феноменальной памяти и явления гипертрофического обострения памяти, или гипермнезии, возникающей в результате некоторых мозговых заболеваний. Этим же объясняется хорошая результативность проводящихся в последнее время опытов обучения во сне (при неглубо­ком сне материал запоминается значительно быстрее, чем в обычном, бодрствующем, состоянии). В состоянии такого сна некоторые механизмы, защищающие мозг от избыточной информации, оказываются выключенными, и поэтому обучение проходит быстрее.
По всей видимости, все люди обладали бы феноме­нальной памятью, если бы им не «мешали» особые за­щитные устройства мозга. Не будь этих заградительных механизмов, наш мозг мог бы вместить такой объем зна­ний, который сравним с общим количеством информа­ции, содержащейся в фонде Государственной публич­ной библиотеки им. В. И. Ленина, — порядка 10'3 6ит\ Вот на что способен человек. Но, увы, каждый из нас необычайно мало использует возможности своей памя­ти. Мы напоминаем обладателя огромного архива, кото­рый пока не нашел ключа к нему. Этот таинственный «ключ» и ищут сейчас ученые всего мира — биопики и инженеры, физики и врачи, математики и химики.
В тридцатых и сороковых годах нашего века извест­ный нейропсихолог Карл Лэшли провел серию широких исследований, имевших целью обнаружить запоминаю­щие области мозга — обособленные «центры памяти». Один из основных экспериментальных приемов Лэшли заключался в следующем. Крыс обучали сложной систе­ме навыков. После того как крыса приобретала опре­деленные навыки, у нее удаляли корковую ткань различ­ных областей мозга. При этом было установлено, что ухудшение памяти зависит от величины удаленного уча­стка, а не от того, какой именно участок удален.
Таким образом, поиски гипотетического «отпечатка памяти», так называемой «энграммы», не увенчались успехом, точнее, они дали отрицательный результат. Память не сосредоточена в каком-нибудь определенном участке мозга, нет, она является коллективным делом всех нейронов, которые сообща шифруют сведения, по­ступающие от органов чувств, и распределяют копии по всем «заинтересованным» отделам мозга. Иными слова­ми, информация, поступающая в мозг, как бы диффун­дирует сквозь объемы серого вещества. Этим, вероятно, можно объяснить многочисленные случаи, когда прекра­щение деятельности некоторых групп нейронов в раз­личных участках коры головного мозга не сказывается существенно на функциях памяти.
Что касается механизма хранения получаемых зна­ний, то по этому поводу мнения ученых на сегодняшний день в основном можно свести в следующую гипотезу. Существует два вида хранения: память кратковременная, оперативная, та, что всегда «под рукой», и память дол­говременная, «постоянная», стабильная, или, как еще го­ворят, долгосрочная, основная, фондовая, запрятанная довольно глубоко. Однако имеется немало веских дово­дов в пользу так называемой «трехступенчатой» теории памяти. Согласно этой теории, на первой ступени, или на первом уровне, находится короткая, «мимолетная» память, порядка нескольких секунд или даже и того меньше. Она воспринимает сотни чувственных впечат­лений, которые непрерывно поступают в бодрствую­щий мозг и чаще всего тут же забываются. На втором уровне располагается память средней продолжительно­сти — от нескольких минут до нескольких часов. Здесь в качестве примеров можно привести зубрежку перед экзаменами. На самом же глубоком уровне находится долговременная память. Из всех воспринимаемых впе­чатлений и информации отсеиваются и выбираются те данные, которые в силу их яркости, интереса или полез­ности сохраняются.
Эксперименты, подтверждающие эту гипотезу, вы­глядят довольно убедительно. «Если крысу или хомя­ка,— пишет Д. Вулдридж,— обучить выполнению какой-либо новой задачи и спустя несколько минут после окончания тренировки пропустить через головной мозг животного достаточно сильный электрический ток, вы­зывающий судороги, то это приведет к частичной или полной утрате результатов обучения. Если шок следует за обучением всего лишь через 5 мин, результаты утра­чиваются полностью: при промежутке в 15 мин потеря навыка еще значительна, если прошел целый час — со­всем невелика; через несколько часов после окончания обучения электрошок уже не оказывает видимого влия­ния на сохранение результатов обучения в памяти и на способность животного выполнять усвоенную процеду­ру. Очевидно, в этих опытах ток, пропускаемый через мозг, не может повредить следы, если они уже закрепи­лись в долговременной памяти, но еще способен либо разрушать следы «промежуточной» памяти, либо инакти-вировать неизвестный механизм превращения их в следы постоянной памяти. В том и другом случае эти экспери­менты, по-видимому, указывают на то, что у исследо­ванных животных время, необходимое для формирова­ния следа в долговременной памяти, измеряется мину­тами, а не часами».
«Таким образом, — пишет далее Д. Вулдридж,— субъективные наблюдения в сочетании с объективны­ми данными привели нас к «трехстадийной» теории па­мяти. В течение короткого времени мозг автоматиче­ски сохраняет информацию о состоянии внешней среды в данный момент, доставляемую нервными импульсами от наружных рецепторов. При отсутствии отбирающих и закрепляющих процессов следы этой входной инфор­мации исчезают очень быстро — вероятно, за несколько секунд. Однако в нормальных условиях, отчасти созна­тельно, отчасти бессознательно, какой-то концентри­рующий внимание механизм — возможно, ретикулярная активирующая система — производит первичную сор­тировку поступающих данных, часть которых выделяет­ся им как особо интересная и передается для хранения механизму, который мы назвали «промежуточной» па­мятью. Если след памяти подкреплен процессом концен­трации внимания, он может, по-видимому, сохраняться в этом промежуточном состоянии несколько минут. В мозгу, функция которого нарушена в результате бо­лезни, хирургического вмешательства или электрости­муляции, такое закрепление может оказаться невозмож­ным, и тогда след памяти по прошествии нескольких минут безвозвратно утрачивается. В нормальном же мозгу протекает какой-то процесс, в результате кото­рого этот след фиксируется. Видимо, и в этом случае концентрация внимания — возможно, с помощью того же механизма, который отбирал первичные сенсорные данные, — окончательно закрепляет некоторую часть информации в долговременной памяти, другая же часть ее фиксируется настолько слабо, что может и вовсе выпасть из системы памяти, если не будет позже под­креплена повторением или «внутренним» воспроизве­дением.
Но если все это так, то какова же все-таки матери­альная основа памяти? В каких физических формах она обитает?
Первая основательная современная теория памяти, которая пользовалась довольно широким признанием до самого последнего времени, исходила из того, что память обусловлена чисто электрическими явлениями. Согласно этой простой и изящной теории, каждая поступившая в центральную нервную систему единица информации образует в мозгу электрическую цепь из нейронов. По этим цепочкам (а их может быть для восприятия информации, поступающей в течение всей жизни, бес­конечное множество) «гуляют» токи определенной ча­стоты, и каждая из них — это зашифрованный образ. Тот факт, что нервные импульсы от сенсорной системы прокладывают следы памяти различной силы и частоты через синапсы в нервной сети головного мозга и фор­мируют схемы, способные к последующему воспроизве­дению, позволил английскому физиологу Ч. Шерринг-тону найти для мозга весьма удачное образное сравне­ние. Ученый уподобил мозг «...волшебному ткацкому станку, на котором миллионы сверкающих челноков ткут мимолетный узор, непрестанно меняющийся, но всегда полный значения».
В начале беседы нами были отмечены опыты Джас­пера и Пенфилда, которые показали, что в височной части больших полушарий коры головного мозга чело­века находятся отделы, раздражение которых электриче­ским током вызывает у людей определенные воспомина­ния. Эти эксперименты прекрасно согласовывались с «электрической» теорией памяти. Однако результаты поставленных позже других опытов заставили ученых усомниться в правильности этой теории. Различных под­опытных животных приучали к выполнению тех или иных задач, а затем мощными электрошоками или сильнодействующими препаратами пытались стереть или разрушить электрические схемы памяти, но живот­ные и после этого не теряли своей «квалификации». Не могла «электрическая» теория объяснить и многие дру­гие факты: почему, например, сохраняется память, когда мозг поврежден и электрическая активность его коры почти полностью утрачена? Почему так мало выделяет­ся энергии в мозгу, хотя по электрической теории па­мяти все должно было бы быть как раз наоборот?
В общем, память упорно не хотела укладываться в электрическую теорию, и ученым в конце концов при­шлось от нее отказаться. Видимо, решили ученые, запо­минание происходит за счет каких-то изменений вну­три нейрона, на молекулярном уровне. И ученые заня­лись поисками химических основ памяти.
Первым проник в молекулярные глубины головного мозга шведский нейрофизиолог, профессор гистологии Гётеборгского университета Хольгер Хиден. Для прове­дения исследований на молекулярном уровне ему надо было прежде всего усовершенствовать методику выде­ления изолированных живых клеток мозга. Главная трудность в химии головного мозга заключается в том, что исследователям приходилось иметь дело с неодно­родной тканью, и поэтому нередко результаты оказы­вались путаными и неясными. Начав свои исследования примерно в 1957 г., Хиден разработал специальный на­бор инструментов из нержавеющей стали, состоящий из микроножей и тончайших крючков. После года тер­пеливой и настойчивой практики он научился, пользу­ясь этим набором и стереомикроскопом, изолировать нейроны размером меньше пылинки. Он научился «счи­щать» с нейрона более мелкие глиальные клетки, а за­тем и выделять ядро из тела нейрона, что позволяло анализировать каждый его компонент по отдельности. Хиден обнаружил, что в нервных клетках содержится поразительно большое количество рибонуклеиновой кислоты (РНК) — в десять с лишним раз больше, чем в глиальных клетках. Кроме того, он установил, что процессы синтеза и разрушения РНК в нервных клет­ках протекают с большой скоростью. Более того, ока­залось, что РНК нервных клеток отличается по составу от глиальной РНК. Все виды РНК состоят из четырех оснований: аденина, гуанина, цитозина и урацила, скомбинированных в различных пропорциях. Связь между основаниями и их чередование в молекуле опре­деляют код, который несет на себе РНК. Хиден устано­вил, что концентрация аденина и урацила в клетках обоих видов примерно одинакова. Но нервная клетка содержит пропорционально больше гуанина и меньше цитозина.
К началу I960 г. Хиден и его коллеги накопили ог­ромный экспериментальный материал, множество пора­зительных данных. Опыты ставили на кроликах, крысах и других животных. Некоторых животных подвергали обычной стимуляции, в частности вращали на центри­фуге, других приучали выполнять определенные задачи. Так, например, в деревянную клетку помещали крыс, которые должны были добывать себе корм несколько необычным способом. На высоте около метра в ней установили маленькую платформу с кормушкой, к ко­торой вела стальная проволока. Крысы должны были научиться карабкаться по проволоке, чтобы добыть себе пищу. После четырехдневной тренировки вестибуляр­ный аппарат, ведающий равновесием тела животных, к которому при добывании корма предъявлялись весьма высокие требования, стал справляться с трудной зада­чей — крысы научились удерживаться на проволоке. После этого животных умерщвляли и исследовали ту часть их мозга, которая была «ответственна за равнове­сие». Изучение нервных клеток вестибулярного аппара­та крыс-«канатоходцев» привело к интересным резуль­татам. Было установлено, что возбуждение, вызван­ное обучением животных новым навыкам, значительно повышает выработку РНК в нейронах головного мозга, которые и без того содержат больше РНК, чем любые другие клетки тела. Кроме того, с повышением актив­ности РНК в нейроне она снижалась в связанных с ним глиальных клетках, и наоборот. Таким путем выясни­лось, что глиальные клетки, которые до этого считались не более чем опорно-изолирующими структурами для нейронов, на самом деле активно с ними связаны. Когда активность нейрона достигает своего максимума, ней-роглия снабжает его дополнительной РНК и соедине­ниями, богатыми энергией; когда нерв «успокаивается», нейроглия пополняет свой собственный запас РНК.,.
Самое же важное в результатах Хидена состояло в том, что при экспериментальном возбуждении голов­ного мозга той или иной формой учебных упражнений в нем не только повышается выработка РНК, но изме­няется и ее состав: небольшая часть этой РНК отличает­ся последовательностью оснований или химическим со­ставом от любой РНК, обнаруживаемой в нейронах «необученных», контрольных животных. В этих видо­измененных молекулах РНК, очевидно, и закодированы вновь приобретенные знания — к такому заключению пришел ученый.
Своими открытиями Хиден, в сущности, подвел пер­вый физический фундамент под молекулярную, хими­ческую теорию памяти. Согласно этой теории, импуль­сы, приходящие в мозг, изменяют электрические цепи, которые всегда существуют между нервными клетка­ми — нейронами. При этом нарушается ионное равно­весие внутри клетки, что и влияет на РНК, точнее ска­зать, на ее основания. Иногда они меняют свое место­положение, что соответствует фазе переходной памяти. Меняется и сама РНК — программа, по которой в клет­ке синтезируется соответствующий белок. Меняется и сам белок. Так РНК и белок совместно создают посто­янные следы памяти внутри клеток коры головного моз­га. Во время воспоминаний сигналы поступают в те мозговые клетки, где уже хранится информация. Про­исходят сложные реакции, в нервных клетках наступает разряд, в результате чего из кладовых «выдается» запа­сенная информация. Следы памяти образуются во мно­гих клетках мозга. Поэтому-то и невозможно найти в мозгу какое-либо одно место, где хранится память.
Итак, по Хидену, запоминание происходит на моле­кулярном уровне. А нейронные непочки — это только вспомогательный аппарат памяти, «собирающий» блоки памяти. Как видите, разница между электрической и химической теориями памяти весьма существенна.
Гипотеза Хидена о том, что память содержится в мо­лекуле, вызвала настоящий взрыв экспериментов. Неко­торые исследователи полагали, что самые прямые опыты должны состоять в том, чтобы перенести молекулы РНК из мозга обученных животных в мозг необученных и наблюдать результаты. Американский психолог Мак-Кс.-инел выбрал для своих опытов планарий — крохот­ных водяных червячков. Их приучали к тому, что одно­временно со вспышкой света наступит раздражение — электрический укол. После нескольких сочетаний укола и вспышек у червей вырабатывался оборонительный рефлекс: достаточно было только вспышки света, и тело планарий тотчас же сокращалось. Добившись такого «запоминания», экспериментатор растолок в ступке «обученных червей» (причем настолько тщательно, что о сохранении каких-либо клеточных структур не могло быть и речи) и полученной массой кормил планарий, ничего не «знающих» ни о вспышке света, ни об элек­трических уколах. В 1962 г. Мак-Коннел опубликовал сенсационное сообщение, в котором писал, что его «образованные» черви, будучи изрублены и скормлены «необученным» червям, передали им свою приобретен­ную способность. Последние вдвое быстрее, чем их предшественники, научились реагировать на световой сигнал. Иными словами, «необученных» червей накор­мили памятью!
В поисках подтверждения гипотезы о химической основе памяти и возможности «передачи» памяти искус­ственным путем следующий важный шаг вперед сделала в 1964 г. группа американских ученых под руководством психолога Аллана Л. Джекобсона. Всю свою экспери­ментальную работу в этом направлении исследователи Калифорнийского университета перенесли с такого низ­шего звена, как черви, на крыс.
Джекобсон и его коллеги сначала приучили крыс бежать к кормушкам после того, как раздавалось резкое пощелкивание. С каждым щелчком в кормушку падала маленькая порция пищи, вознаграждавшая крысу за ее приход. Когда дрессировка была закончена, животные были убиты, и РНК, выделенная из их мозга, вводилась другим, недрессированным крысам. Что же получилось? «Необученные» крысы после пощелкивания начинали поиски кормушки с пищей. Как сообщалось в научном журнале Калифорнийского университета, исследова­тели 25 раз повторили опыты с каждой из 7 крыс, кото­рым была введена РНК «обученных» животных, и уста­новили, что при подаче сигнала крысы, не прошедшие дрессировку, от одного до десяти раз приближались к кормушке вплотную. Чтобы подтвердить свои наблюде­ния, исследователи вводили РНК от группы «необучен­ных» контрольных крыс 8 другим, таким же «необучен­ным», и повторили испытания. Крысы никак не реаги­ровали на звук резкого щелчка.
Далее ученые усложнили опыты. Они провели по­добные же эксперименты, в ходе которых РНК бралась для инъекции от крыс, обученных отыскивать пищу при пощелкивании или при действии мигающего света, а так­же от «обученных» животных других видов, например от хомяков, которые близки крысам, но имеют много отличий. Эти эксперименты также подтвердили, что РНК переносит информацию сегодняшнего дня и это проявляется даже тогда, когда животные относятся к разным видам!
Так своими экспериментами Джекобсон поддержал гипотезу о записи опыта в молекулах РНК («гипотеза РНК-энграммы», или «РНК-гипотеза»). Общая черта этих гипотез, напомним, заключается в стремлении использовать огромную информационную емкость ос­новных биологических макромолекул — ДНК, РНК и белков — для объяснения записи поступающей в мозг разнообразной информации путем соответствующих изменений в их молекулярной структуре. И действи­тельно, «РНК-гипотеза», казалось бы, разрешает некото­рые сложные проблемы и, в частности, может объяснить, каким образом в памяти хранится чрезвычайно разнооб­разная информация. Во всяком случае то, что в образо­вании запаса знаний «виновата» именно перестройка молекулы белка, позволило одному известному биофи­зику дать необычайно яркий образ: «...в основе каждой уродливой мысли лежит химически изуродованная мо­лекула». Приверженцы же научной фантастики из опы­тов Хидена, Мак-Коннела и Джекобсона не приминули сделать предельно ясный вывод: весь процесс обучения человека в будущем будет сведен к небольшому числу инъекций памяти.
Однако, несмотря на добытые экспериментальным путем обоснования «РНК-гипотезы», эта гипотеза стал­кивается с серьезными возражениями. Так, комментируя статью Джекобсона «Знание, переданное шприцем», старший научный сотрудник Института молекулярной биологии АН СССР К. Кафиани пишет:
«РНК-гипотеза» предполагает изменение последова­тельности расположения составных частей РНК под влиянием внешней среды. Это предположение несовме­стимо с твердо установленными молекулярной биоло­гией данными о механизме образования и о физических и химических свойствах РНК. Дело в том, что гипотеза предполагает существование принципиально иного, чем во всех известных живых системах, способа кодирова­ния информации в макромолекулах. Хотя мозг и являет­ся наиболее высокой формой организации живой мате­рии, однако нет достаточных оснований думать, что его работа построена на принципах, не подчиняющихся общим закономерностям живых систем. Напротив, всем опытом биохимии и молекулярной биологии доказано принципиальное единство химических и молекулярных механизмов на всех уровнях организации живой мате­рии. Особенности функционирования мозга надо, мне кажется, искать не столько в особых, гипотетических, можно даже сказать, фантастических принципах моле­кулярных процессов, сколько в особом характере над-клеточной организации нервной ткани. Ведь удивитель­ные свойства кибернетических устройств определяются не сложностью их элементов или действием особых фи­зических механизмов, а особым способом соединения этих элементов в некоторую сложную систему».
Определенные сомнения вызывают у ряда ученых и экспериментальные обоснования «РНК-гипотезы». Во-первых, говорят они, результаты подобных опытов часто направляются в желаемую сторону самими условиями эксперимента. Во-вторых, кажется весьма маловероят­ным, чтобы довольно непрочная молекула РНК, введен­ная в организм рецепиента, могла добраться до мозга целой и невредимой через пищеварительный тракт и барьер, который ограждает мозг от крупных чужеродных молекул. «Всякий, кто имел дело с РНК, — пишет К. Ка-фиани,— знаком и с ее заклятым врагом — ферментом рибонуклеазой, которая с огромной скоростью превра­щает стройные молекулы РНК в смесь низкомолекуляр-иых осколков. Этот фермент присутствует в любой клет­ке организма (а значит, и мозга), в крови, с которой РНК должна якобы доставляться в мозг. Вероятность того, что РНК достигнет места ее функционирования в мозгу, сохранив закодированную в пей информацию, поистине ничтожна».
И наконец, самый сильный аргумент против «РНК* гипотезы» заключается в том, что некоторые ученые воспроизвели опыты Мак-Коннела и Джекобсона, но не смогли воспроизвести их результатов. Поэтому пред­ставление о том, что память или выученную способность можно перенести в молекуле из одного организма в дру­гой, встречает серьезные возражения. Существует мне­ние, что результаты поставленных опытов можно объ­яснить скорее передачей «способности к навыку», не­жели передачей информации как таковой. Например, в некоторых опытах червям скармливали других червей, которые научились быстро находить правильную дорогу в простом лабиринте. Черви-каннибалы находили путь через лабиринт скорее, чем другие, но и они не могли проползти через него сразу, без предварительной трени­ровки. Вполне возможно, что передается не сама память, а какое-то вещество, ускоряющее процесс запоминания.
Нужно сказать, что, по мнению самого Джекобсона, на основании проведенных им экспериментов пока еще рано делать какие-то обобщения и выводы относительно «РНК-гипотезы». «Все еще остаются нерешенными,— пишет ученый, — некоторые фундаментальные пробле­мы. В чем состоит действительная природа явления пере­носа поведения и можно ли отнести его к запоминанию, что вызывает это явление — уверены ли мы, что это РНК и только РНК? Неясно и многое другое... Проблемы за­поминания и памяти сегодня не стали проще, чем когда-либо; действительно, может показаться, что новый био­химический подход поставил больше вопросов, чем дал ответов...»
И все же, несмотря на высказываемые многими уче­ными возражения и сомнения по поводу «РНК-гипоте­зы», безусловно, следует положительно оценить общую тенденцию к поискам связи между физиологией высшей нервной деятельности и молекулярной биологией. Раз­работка правильной в целом идеи об участии РНК и белкового синтеза в явлениях долговременной памяти, безусловно, перспективна. По всем данным РНК при­надлежит немаловажная роль в механизме памяти. Это вещество очень близко к дезоксирибонуклеиновой кис­лоте (ДНК), являющейся, как известно, носителем ин­формации наследственности, зашифрованной в химиче­ском виде фактически во всех живых организмах. Если генетическая информация может передаваться вещест­вом ДНК, то вполне резонно предположить, что веще­ство РНК может быть носителем информации другого типа...
Пока никто не в состоянии дать исчерпывающий от­вет на все вопросы, связанные с деятельностью мозга: о механизме памяти, об удивительной системе произ­вольного доступа к огромным запасам информации, хранящейся в мозгу, о гибкости и надёжности памяти человека. Но великий русский физиолог И. М. Сеченов, очень хорошо понимавший титаническую трудность проблемы, утверждал, что предпосылки для понимания функции мозга состоят в «...строгом разборе его машин-ности». Успехи кибернетики и бионики — лучшее дока­зательство справедливости этого тезиса. Новым наукам, развиваемым совместными усилиями физиологов, мате­матиков и специалистов по электронике, союз которых оказался чрезвычайно плодотворным, по плечу любая задача. Рано или поздно ученые смогут выведать у мозга самые сокровенные его тайны.
Значительная и даже, пожалуй, основная часть веду­щихся ныне исследовательских работ по бионике посвя­щена созданию аналогов биологического нейрона — нервной клетки, являющейся основным элементом нервной системы. Конечная цель этих работ — создание систем, предназначенных для накопления, обработки и передачи большого количества информации, электрон­ных машин, способных решать любые сложные задачи без предварительного программирования, различных самообучающихся, адаптивных (самоприспосабливаю­щихся), самонастраивающихся, самоорганизующихся устройств, обладающих малыми габаритами и высокой надежностью. Иными словами, речь идет о создании широкого комплекса автоматических систем, функцио­нирующих по принципу, аналогичному законам дея­тельности и принципам организации живого мозга.
Нервная система человека и животных содержит нейроны различных типов, при помощи которых мозг воспринимает, обрабатывает, накапливает и передает информацию, регулирующую работу биологической си­стемы в соответствии с изменением внешних условий, т. е. так, чтобы обеспечить ее наибольшую адаптацию к окружающей среде. В основном нейроны делятся на три класса: чувствительные (сенсорные), или рецепторные, которые воспринимают и передают свет, тепло, давле­ние и другие воздействия внешней среды; двигательные (моторные), или эффекторные, контролирующие со­кращение мышц; вставочные (ассоциативные), или про­межуточные, которые связывают между собой специали­зированные типы и комплектуют мозг. Нейроны этих трех классов можно рассматривать как входные устрой­ства, выходные устройства и все, что находится между ними. Помимо различий в величине и форме, у нейро­нов встречаются и необычные структуры, наиболее за­метные у некоторых рецепторных нейронов; окончания этих нейронов снабжены разнообразными приспособле­ниями (физик назвал бы их преобразователями), с по­мощью которых давление, химический состав, темпера­тура или иные физические величины, воспринимаемые нейронами, могут преобразовываться в особые электро­химические сигналы.
Для того чтобы познакомиться со строением нервной клетки и ее работой, возьмем в качестве образца про­межуточный нейрон. Этот выбор обусловлен тем, что промежуточный нейрон является типичной нервной клеткой живого организма — из общего числа имеющих­ся у человека нервных клеток более 9 миллиардов явля­ются промежуточными нейронами. Схематическое изо­бражение нейрона приведено на рис. 1. Он состоит из тела клетки (1), содержащего ядро и цитоплазму, за­ключенную в оболочку (мембрану), от которой отходят ветвящиеся отростки — дендриты (2), осевой отросток, или нервное волокно, — аксон (3), заканчивающийся концевым разветвлением (5), примыкающим к другим клеткам через синаптические контакты, или синапсы
(6). От аксона отходят боковые отростки — коллатера-ли (4), также заканчивающиеся на других клетках.
Тело нервной клетки в поперечнике обычно меньше 0,1 мм. Объем крупного нейрона составляет примерно 0,001 мм3. Дендриты имеют диаметр порядка 0,01 мм и длину от долей миллиметра до де­сятков сантиметров. Длина аксона нервных клеток человека колеблет­ся от долей миллиметра до 1,5 м (при толщине около 0,025 мм).
По современным представлениям, в основе функции реального нейро­на лежат электрохимические про­цессы. Его мембрана состоит из че­тырех мономолекулярных слоев (бе­лок — липоид — липоид — белок) обшей толщиной около 10˜6 см. Нейрон в состоянии покоя имеет следующие электрические пара­метры: разность потенциалов 70 мв, удельное сопротивление 0,4-101- ом-см и емкость 1 мкф/см'г (данные измерений между наруж­ными поверхностями мембраны).
Нервы в организме играют роль линий связи между рецепторными нервными клетками с чувствитель­ными окончаниями, воспринимаю­щими информацию, скоплениями нейронов, предназначенных для об­работки информации, и исполни­тельными, или эффскторными, клетками, обеспечивающими соот­ветствующие реакции отдельных органов или участков организма. Все эти элементы, воспринимающие, пере­дающие, перерабатывающие и выдающие управляющую информацию, образуют нервную систему. Функция нервной системы основана на процессах возбуждения и торможения. Возбуждение возникает под влиянием электрических, тепловых, химических и механических раздражений и распространяется по нервным волокнам в виде электрических импульсов. Импульс, возникающий В нейроне, распространяется по аксону без затухания и с постоянной скоростью, примерно равной a V^D, где а — постоянная величина, a D — диаметр аксона. Та­ким образом, чем толще аксон, тем больше скорость рас­пространения импульсов. Эта скорость неодинакова у различных организмов. У человека она не превышает 120 м/сек, у собаки она составляет 83,3 м/сек, у улит­ки — 0,05 — 0,4 м/сек.
Посмотрим теперь, как «работает» нейрон. Он мо­жет находиться в двух состояниях: возбуждения и тор­можения. Различные части нейрона несут разные функ­ции. Дендриты служат входами, по которым к телу клетки подводятся импульсы раздражения, а аксоны — выходами, по которым передается возбуждение на дру­гие клетки. В передаче нервными волокнами возбуж­дения велика роль синапсов, т. е. мест перехода воз­буждения от одной нервной клетки к другой. Синапсы обладают односторонней проводимостью, т. е. возбуж­дение передается только с окончаний аксона одного нейрона на дендриты и тело клетки другого нейрона (на крупных нейронах насчитывается до 1000 синапсов). Кроме односторонней проводимости синапс характе­ризуется еще одним интересным свойством: в нем происходит замедление проведения возбуждения, т. е. замедляется передача раздражения. Это называется си­ноптической задержкой. Прохождение возбуждения че­рез синапс как бы подготавливает почву и облегчает прохождение через него следующего возбуждения.
Нейрон имеет множество входов, а выход у него только один. Входной импульс может быть возбуждаю­щим или тормозящим; он может иметь самые различ­ные параметры; выходной же сигнал каждого нейрона представляет собой импульс, амплитуда и длительность которого постоянны. Примечательно, что нейрон сра­батывает только при определенном уровне входного воздействия, называемом пороговым. Если раздражение, поступающее на один из входов, ниже этого уровня, то нейрон продолжает оставаться невозбужденным. Если оно выше этого критического уровня, то нейрон переходит в возбужденное состояние, при котором энергия из тела клетки передается в виде стандартного импульса в аксон.
В течение некоторого времени после разряда ней­рона входные сигналы не вызывают его возбуждения.
Это объясняется резким повышением порогового уровня при генерировании нейроном выходного сигнала. В дальнейшем за время, называемое временем восста­новления, пороговый уровень понижается до прежней величины. Состояние нейрона после его срабатывания характеризуется возбудимостью — величиной, обратной пороговому уровню. Кривая зависимости возбудимости нейрона от времени приведена на рис. 2, где по оси абс­цисс отложено время, прошедшее после сраба- л^ тывания нервной клетки, а по оси ординат — вели­чины, обратные порого­вому уровню (в процен­тах от нормального зна­чения).
Как видно из графи­ка, следующий разряд нейрона может произой­ти не ранее, чем через некоторый интервал вре­мени от 0 до t\. Такой ин­тервал, называемый пе­риодом абсолютной реф-рактерности, длится от
0,4 до 2 мсек. В течение этого времени пороговой уро­вень нейрона как бы оказывается равным бесконечности, а возбудимость его равна нулю. Считают, что время пониженной возбудимости нейрона от момента его срабатывания до восстановления нормального порога определяется необходимостью восстановить энергию клетки, затраченную на подготовку и генерирование вы­ходного импульса. После окончания периода полной не­восприимчивости происходит постепенное (в течение нескольких десятков миллисекунд) снижение порогово­го уровня до нормальной величины. Этот период (от мо­мента t\ до ?г) носит название периода относительной рефрактерности. За ним следует фаза повышенной воз­будимости нейрона (or момента до t%), во время ко­торой он может сработать и при воздействии возбужде­ния ниже порогового уровня. Наконец, в некоторый момент времени <з восстанавливается нормальная воз­будимость нейрона.
Но всем этим динамика нейрона не исчерпывается. Раздражения, уровни которых недостаточны для воз­буждения, но действующие на несколько входов одно­временно, суммируются и возбуждают нейрон — это так называемое пространственное суммирование. Раздраже­ния с уровнями ниже порога, но следующие одно за другим через короткие промежутки времени, тоже сум­мируются и возбуждают нейрон. Здесь происходит по­следовательное суммирование, или суммирование во времени. В механизме возбуждения нейрона часто име­ют место одновременно оба процесса — суммирование раздражений как в пространстве, так и во времени. При этом роль предыдущих импульсов возбуждения стано­вится тем меньше, чем больше времени прошло после их появления. Происходит как бы затухание их следов, которое подчиняется экспоненциальному закону.
Как отмечалось выше, импульсы раздражения могут быть возбуждающими или тормозящими и они могут поступать на разные входы нейрона одновременно. Если их алгебраическая сумма превышает пороговый уровень, то нейрон возбуждается и выдает импульс.
Все эти сведения об устройстве и функциях нейрона были собраны нейрофизиологами путем экспериментов, которые трудно назвать даже ювелирными — они зна­чительно тоньше. Исследования электрической сторо­ны деятельности нейронов, которая так интересует ин­женеров, проводились с помощью микроэлектродов. О них мы рассказывали в беседе «Зрячие машины». Ученым удалось просмотреть на осциллографе все эле­ктрические процессы, происходящие в живых нервных клетках, проанализировать связи, существующие между ними, записать электрические «голоса» работающих нейронов на магнитофонную ленту и т. д.
Инженеры интерпретировали всю информацию, по­лученную от нейрофизиологов, таким образом: нейрон с его способностью находиться только в двух состоя­ниях — возбуждения и торможения — представляет со­бой (упрощенно) биологический вариант двухпозици-онного реле — электронного или любого другого. Фун­кционирование нервной системы определяется числом и характером связей между нейронами, а также видом сигналов, поступающих на вход нервных клеток. Все это в совокупности приводит к мысли, что нервную систему можно рассматривать в некотором роде как весьма сложную, высокосовершенную вычислительную машину, имеющую множество чрезвычайно важных преимуществ перед самыми сложными современными системами управления, перед новейшими кибернетиче­скими автоматами. Так, нынешние кибернетические устройства еще очень далеки от человека в своих «спо­собностях» воспринимать информацию в виде рукопис­ного или печатного текста, в виде чертежей, речи, дви­жущихся изображений и т. п. Большинство современ­ных кибернетических систем, как известно, работает по жестким, заранее заданным программам. Нервной же системе свойственны высокая степень самооргани­зации, быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ своей деятельности и т. д. А если перейти к процессам мышления, памяти, сознания, то перечень «преимуществ» мозга можно значительно рас­ширить; однако и так достаточно ясно, что технике есть чему поучиться у живой природы. И именно по­этому творцы вычислительной техники с таким упорст­вом и настойчивостью ищут новые пути конструирова­ния вычислительных устройств в аналогиях с работой нервной системы живых существ.
При разработке технической модели нейрона, по-видимому, целесообразно принимать во внимание сле­дующее:
модель нейрона должна иметь два возможных со­стояния, соответствующих возбужденному и затормо­женному состояниям;
схема модели должна иметь множество входов, на которые в различные моменты времени могут по­ступать сигналы;
на входных участках, контактах, или «клеммах», нейрона должна осуществляться задержка сигнала, ана­логичная синаптической;
реакция модели на входное воздействие должна зависеть от входа, к которому оно прикладывается;
результирующее воздействие на тело нейрона оп­ределяется суммой воздействий от всех входов (прост­ранственное суммирование) и предысторией, т. е. сум­мой предшествующих воздействий с учетом затухания их по экспоненциальному закону с некоторой посто­янной времени (суммирование во времени);
срабатывание (возбуждение) модели нейрона должно происходить лишь в том случае, если результи­рующее воздействие поступающих (возбуждающих и тормозящих) сигналов превысит пороговый уровень;
при срабатывании модели нейрона на выходе должен появляться стандартный сигнал.
Это, так сказать, исходные данные, которые можно рассматривать как техническое задание на проектиро­вание искусственного нейрона. Однако к техническо­му моделированию нейрона может быть два подхода, и оба они реально существуют сегодня.
Ученые, принадлежащие к одной школе, стремятся создать модели нервных клеток, воспроизводящие по возможности наиболее точно их биологические функ­ции. Цель их работы состоит во всестороннем изуче­нии возможных функций нейронов, связанных с обра­боткой информации, и еще более глубоком уяснении действия биологических систем. Примером модели, сконструированной по этому принципу, может слу­жить нейромим американского инженера Хармона. В его модели возбз'ждающие входы и один тормозя­щий связаны в интегрирующую цепь с пространствен­но-временным суммированием с постоянной т, равной 0,46—1,2 мсек (в зависимости от конфигурации воз­буждений входных цепей), При возбуждении нейрона создается импульс в соответствии с принципом «все или ничего». Во время формирования импульса и в течение еще примерно 1 мсек порог возрастает и эле­мент находится в фазе абсолютной рефрактерное™; далее следует фаза относительной рефрактерности, в течение которой пороговый уровень спадает по экспо­ненте до нормального своего значения. Синаптическая задержка в модели Хармона, равная 0,1 — 1 мсек, опре­деляется частотой возбуждения. Синаптический пере­ход и процесс суммации моделируются соответствую­щими цепями RC. Выбранные здесь параметры хорошо отражают временные характеристики двигательного нейрона.
На рис. 3 приведена принципиальная электрическая схема искусственного нейрона, разработанная в Ин­ституте кибернетики АН УССР и предназначенная для использования в нейронных сетях. Здесь также осу­ществляется пространственное и временное суммирова-

ние, имеются периоды абсолютной и относительной рефрактерности. Отдельный вход торможения отсут­ствует, а на базу транзистора Т\ через сопротивления R\, R2, Rn подаются положительные импульсы, кото­рые алгебраически складываются с импульсами возбуж­дения. Когда напряжение на емкости С\, обусловлен­ное входными сигналами, достигает уровня, равного или превышающего пороговый (Uc' ^ впороГ), тран­зистор Т\ открывается и релаксатор, собранный на

<< Предыдущая

стр. 10
(из 12 стр.)

ОГЛАВЛЕНИЕ

Следующая >>