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.
Список литературы
Для
подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.sciteclibrary.ru