Н. Винер и биология

Н. Винер и биология

Бечин Сергей Вениаминович, г. Северодвинск

Когда математикам и инженерам удалось впервые создать технические устройства, которые могли моделировать некоторые функции мозга, встал закономерный вопрос – как же в действительности работает наш главный орган? В настоящее время известен только один вид программирования – математическое. Именно на его основе работают все вычислительные устройства – от бытовых калькуляторов до современных суперкомпьютеров.

Суть математического программирования в том, что в вычислительное устройство (процессор) вводится информация, представленная как набор чисел, а также набор команд – в виде программы. Подчиняясь правилам алгебры логики и командам программы, процессор производит вычисления, и на выходе мы имеем те же цифры, но уже в другой комбинации. Так как окружающий нас мир представлен не цифрами, а физическими и химическими явлениями, то реальный сигнал перед обработкой должен быть “оцифрован”, то есть получить математический символ.

Таким образом, математическим называется программирование, при котором сигналу первоначально присваивается цифровой код, а затем он подвергается преобразованиям в вычислительном устройстве в соответствии с командами программы. Команда – это математическое действие, либо совокупность таких действий. Для “машинного удобства” вычисления совершаются в двоичной системе. Поскольку вся информация проходит через процессор, то естественно, что его быстродействие является важнейшей характеристикой любой машины.

Преобразуя сигналы от реальных и воображаемых объектов в наборы цифр, и производя с ними вычисления по правилам алгебры логики, удается задавать требуемые параметры и алгоритмы для получения ожидаемых результатов.

В 1943 г. американский физиолог У Маккаллок из группы Н Винера выдвинул идею формального нейрона. Было высказано предположение, что нейрон – это пороговый элемент, имеющий на входе несколько тормозных или возбудимых синапсов, а на выходе, в зависимости от суммы поступающих воздействий – сигнал или его отсутствие, то есть ноль или единицу. А как только появляются нули и единицы, появляются и математики и, соответственно, пытаются построить математическое программирование. Таким образом, “технари” уже более полувека пытаются по-своему истолковать принципы работы нервной системы и головного мозга.

Однако, хотя и были построены нейронные сети различного типа (бинарные, аналоговые и др.), выполняющие широкий класс математических операций, понимания работы мозга это не принесло. Все-таки мозг – не калькулятор и даже не компьютер.

Тем не менее, отдавая должное вычислительной технике, нужно признать, что именно она позволяет на сегодняшний день наиболее полно моделировать наши некоторые функции мозга. А работы в области искусственного интеллекта рассматриваются как новый уровень программирования. И такое явление, естественно, не случайно. Мозг – это орган, созданный природой для управления всем телом. И он действительно имеет различные программы восприятия и поведения. Программирование – ключевое понятие, позволяющее разобраться в принципах работы нервной системы. Но вот основа создания и реализации программ в животном мире совершенно иная, чем та, что применяется в машине. Это обусловлено одним простым правилом, которое соблюдается в биологии всегда – соответствие структуры и функции. Определенная заданная структура задает только одну функцию. Это вызвано тем, что жизнь в своей основе – это совокупность химических реакций. Все физиологические функции организма реализуются посредством тех или иных химических реакций. А химические реакции, как известно, явления специфические. Нейронный импульс – основа работы нервной системы – есть физиологическая функция клетки.

Если вся вычислительная техника работает на основе математического программирования, при котором функция процессора определяется заданной в данный момент времени программой и при этом между программой и процессором нет никакой жесткой связи, то во всех животных системах реализуется принцип структурного программирования.

Под структурным программированием автором понимается способ записей программ восприятия и поведения (и мышления в том числе) на нейронных цепочках различной конфигурации. Эти цепочки образованы не формальными, а реальными, то есть специализированными нейронами.

Использование нейронных цепей различной конфигурации в качестве носителей сенсорно - двигательных программ – единственно доступный способ в живых системах. И это сближает их с генетическими программами, в которых информация обо всех химических реакциях организма, (а соответственно и физиологических), записана цепочками повторяющихся участков молекул в различных сочетаниях. В этом - главное отличие мозга от вычислительных машин, работающих на основе цифровых манипуляций. 

Построение нейронных сетей и их работа по законам структурного программирования в корне отличны от тех правил, по которым построены и работают цифровые программные устройства.

Представление нейронных цепей как носителей программных единиц позволяет понять формирование мозга в филогенезе и объяснить развитие основных его функций вплоть до сознания. При этом существует жесткая связь между структурой нейронной цепи и определяемым ею двигательным ответом или воспринимаемым сигналом.

Основные принципы структурного программирования и филогенез мозга как процесс совершенствования и взаимодействия регуляторных программ различных направлений автор изложил в своей работе; “Эволюция нейронных систем”. (Вышлю по запросу электронной почтой, укажите адрес).

(Первичные недифференцированные нейроны в процессе эволюции разделились на две функциональные группы. Клетки первой группы – рецепторы – преобразуют воздействия среды в нейронный импульс - сигнал. Клетки второй группы – двигательные нейроны (процессоры) – преобразуют сигнал с рецепторов в набор команд, поступающих на мышцы и другие исполнительные органы. В ходе эволюции шла расходящаяся специализация нейронов в каждой из этих групп, но первоначальное деление на рецепторы и процессоры сохранилось. Все наши самые сложные органы чувств и все самые сложные регуляторы двигательных комплексов есть не что иное, как усложненные одноклеточные рецепторы и двигательные нейроны. При этом принципиальная схема нервной системы и головного мозга всех животных в процессе эволюции не изменилась). 

Специфичность функции рецепторов и процессоров определяется, во первых, индивидуальностью конфигурации (структуры) нейронной сети, а во вторых, функциональной принадлежностью входящих в нейронную цепь нейронов.

Особенности регуляторных систем, построенных на основе структурного программирования, заключаются в следующем;

Прямое (без “оцифровки”) преобразование воздействий среды в сигнал. Разряд любого нейрона в сенсорных отделах мозга – это и есть специфический сигнал. Рецепторы качества преобразуют в сигнал химико-механические воздействия среды на нейрон. Рецепторы последующих слоёв в рецепторных системах преобразуют в сигнал совместное воздействие двух и более предшествующих нейронов. Говорить о сигнальном значении нейронного импульса можно лишь с указанием конкретного местоположения нейрона в нейронной цепи. Вне цепи нейронный импульс теряет всякий сигнальный смысл. 

Увеличение количества нейронов в рецепторных отделах мозга позволяет усложнять воспринимаемый сигнал (“видеть” более сложный объект). Тоже самое в двигательных отделах мозга позволяет усложнить комплекс врожденных или приобретенных действий. 

Прямое участие любого воспринимаемого сигнала в формировании двигательного ответа. Функциональная готовность любой программы (не требуется загрузки) и, как следствие, – высокая скорость работы нервной системы. 

Изменение конфигурации нейронной цепи, как в рецепторных, так и в процессорных отделах мозга изменяет как воспринимаемый сигнал, так и двигательный ответ. 

Сравним – в компьютерах сигнал представлен, во первых, в виде электрического импульса, а во вторых, и это самое главное, из импульсов формируется цифровой код (наборы нулей и единиц в различных сочетаниях), что позволяет один сигнал отличить от другого. В нервной же системе сигнал представлен нейронным импульсом и при этом все нейронные импульсы по форме эквивалентны друг другу. Собственно же значение сигнала определяется местоположением нейрона в нейронной сети и его функциональной принадлежностью. Частота и количество импульсов для кодировки сигнала значения не имеют, а определяют лишь интенсивность сигнала, да и то лишь приблизительно.

Процессор – это также нейронная цепь различной конфигурации. Длина цепи и скорость нейронного импульса определяют время реализации программы, а конфигурация цепи – набор выдаваемых команд. Для нервной системы понятия “программное обеспечение” и “структура процессора”, “структура рецептора” - эквивалентны.

Главное отличие мозга любого животного, включая человека, от компьютера состоит в том, что в мозгу совершаются лишь два процесса – формирование сигнала и двигательного ответа. Никаких вычислений мозг не производит, даже когда мы занимаемся математикой. В компьютере же, какую бы задачу он не выполнял, кроме счетных операций ничего не происходит.

В чем заведомо проигрывают нейронные системы регуляции цифровым – так это по сложности формируемых двигательных программ. Ни один нейропроцессор не может содержать столько команд, сколько можно разместить в одной компьютерной программе. Все сложные действия животного составлены как цепь коротких рецепторно - процессорных комплексов, – то есть программных фрагментов, согласованных с сигналами внешней среды или положениями тела. Впрочем, природа уже провела эксперимент по усложнению двигательных программ без рецепторного сопровождения. Речь идет о насекомых. Эти животные способны выполнить сложный “комплекс фиксированных действий” при активации его адекватным сигналом. Но насколько беспомощными, а то и просто вредными становятся инстинкты при измененных условиях среды, наверное, знают многие. Так что генеральная линия в развитии регуляторных систем, выбранная природой – ведущая роль сигнального фактора.

Отсюда следует вывод, что системы математического программирования – это всего лишь вспомогательный инструмент для систем структурного программирования. Такое положение существует сейчас и, скорее всего, сохранится в будущем. Скорость счета и наборы команд никакого значения для зарождения интеллекта не имеют.

Вероятнее всего, будущее за автомобилями и самолетами, способными “видеть и слышать” примерно так же, как это происходит у животных. Тогда ошибку пилота или невнимание водителя машина сможет исправить сама, спасая при этом многие человеческие жизни. Из статистики известно, что в мире ежегодно происходит один миллион автокатастроф, а 85% всех авиакатастроф случаются по вине пилотов.

Автор надеется, что изложенные в статье соображения заинтересуют специалистов по бионике и информатике. Начало практических работ по созданию регуляторных систем на основе структурного программирования будет означать открытие нового направления в информатике. Исследования именно в этом направлении позволят в полной мере воплотить в технических устройствах все функции человеческого мозга, а также помогут человеку понять многие тайны его психики.

Проработанность данной темы у автора такова, что позволяет приступить к реализации систем структурного программирования в технических устройствах.