Электронная машина и мозг
Описанию принципа действия и устройства электронных вычислительных машин посвящено в настоящее время огромное число книг и брошюр. Не будем повторять их содержания, напомним только, что в общую схему электронной вычислительной машины входят такие непременные составные части, как приспособления для подготовки и пробивки перфоленты, на которую может наноситься программа работы машин, вводное устройство, оперативная и долговременная «память», арифметическое устройство, устройство и пульт управления, выводное и печатающее устройства (рис. 20).
Рис. 20. Основные части электронно-вычислительной машины.
Основной носитель сигнала в электронной машине, как известно, электрический ток. Он выступает здесь в форме импульсов, имеющих весьма малую продолжительность (порядка миллиардной доли секунды). Поскольку в схеме машины используются электронные лампы или полупроводники, имеющие весьма незначительную инерцию, то и время реакции схемы получается очень небольшим, в сотни тысяч меньшим, чем у механических и электромеханических устройств. Все это и определяет высокие скорости работы машины. Вот не раз публиковавшиеся цифры, говорящие о ее феноменальной производительности.
Электронная машина способна производить вычисления с огромной скоростью — порядка миллионов арифметических операций в секунду с 10—15-разрядными числами. За несколько минут работы она сделает больше, чем вычислитель за всю свою жизнь. При этом непросто заменяется труд многих вычислителей, но возникают принципиально новые возможности. Машина способна выполнять не только математические операции огромного объема и диапазона, но и логические операции.
Но так ли уж совершенны электронные вычислительные машины, что в этой области не нужны данные бионики? Нет, этого сказать никак нельзя, и результаты исследований ученых, изучающих передачу и прием информации в живом организме, и в особенности работу нервной системы и мозга, оказываются весьма ценными.
Результаты исследований в области бионики уже дали себя знать при разработке программ для электронных вычислительных машин. На основе наблюдений над тем, как человек подходит к решению специальных задач, и по образцу этого была создана так называемая эврестическая программа, имитирующая этот процесс у человека. Она происходит от эврестического метода нахождения истины путем постановки наводящих вопросов. При использовании такой программы машина успешно доказала 38 из 52 теорем.
Теперь перейдем к процессу передачи информации. Мы уже говорили, что в машине сигналом является импульс напряжения. Числа в ней записываются в двоичной системе, в которой основанием счисления является два. Любое число записывается комбинацией из нулей и единиц. В табл. 3 дано сравнение записи чисел в десятичной и двоичной системах счисления.
Таблица 3
Нуль и единица означают либо отсутствие, либо наличие импульса электрического напряжения. В передаче этих импульсов и состоит элементарный акт электронной машины. На входе машины применяется цепочка так называемых триггеров. Суть их устройства состоит в том, что они содержат две электронные лампы, включенные так, что система имеет лишь два устойчивых состояния: при отсутствии тока в одной лампе и при отсутствии тока в другой. Первое состояние можно считать соответствующим нулю, второе — единице. Взяв цепочку триггеров, можно «записать» число в двоичной системе, такая цепочка именуется регистром. Если на регистре уже записано число и на него подается еще одно, то можно получить сумму их. Устройство, служащее для этой цели, называют сумматором. Числа передаются от одного узла машины к другому по проводам в виде электрических импульсов.
Не вдаваясь более в подробности работы машины, обратимся к тому, что известно о передаче информации в нервной системе. Сначала покажем несомненное превосходство устройств этого рода в живых организмах перед техническими. Специалисты как-то решили сравнить кодирование и полосу пропускания (полосу частот, пропускаемую без искажений) мозга и телевизионной системы. Для оценки указанных характеристик взяли обычное сновидение. Оценив количество кадров и элементов, как это обычно делается в отношении телепередачи, специалисты получили астрономическую величину для полосы пропускания 1020—1023 гц. Поскольку верхняя граница полосы в физиологических процессах не выше 100 гц, а число параллельных каналов не может превышать 109—1010, предполагается, что способ кодирования информации в мозгу в громадное число раз экономнее, чем в современном телевидении. Как бы обогатила технику, в том числе и электронно-счетную автоматику, разгадка этого способа кодирования.
Что же представляют собой сигналы, передающие различную информацию в живом организме? Как уже говорилось выше, это импульсы нервного возбуждения.
Точнее сказать, передача раздражения по нервному волокну — это электрохимический процесс, протекающий за счет энергии, накопленной в самом волокне. Энергия, израсходованная нервом на проведение импульса, восполняется потом, в процессе питания нерва. Все сообщения передаются по нерву в двоичном алфавите: либо нерв находится в покое, либо возбужден. О разной степени возбуждения говорит повышение частоты следования импульсов. Таким образом, при передаче сообщений по нервам мы имеем дело с частотно-импульсной модуляцией, получившей в последнее время широкое распространение в технике связи.
Роль усилителей поступающих сигналов в нервной системе для их дальнейшей передачи играют нейроны. Они привлекают сейчас пристальное внимание ученых.
Нейрон содержит тело клетки (рис. 21).
Рис. 21. Схематическое изображение нейрона.
Древовидные отростки — дендриты — служат входами, по которым к телу клетки подводятся импульсы раздражения. Выходом служит аксон. Каковы же размеры нейрона? Его тело имеет размеры менее 0,1 мм. Длина дендритов составляет от долей миллиметра до десятков сантиметров, их диаметр — около сотой доли миллиметра. Количество отростков может достигать нескольких десятков и даже сотен. Аксоны могут быть длиной от долей миллиметра до полутора метров.
В передаче нервными волокнами возбуждения велика роль синапсов, то есть мест перехода возбуждения от одной нервной клетки к другой. Синапсы проводят возбуждение только в одном направлении, с окончаний аксона одного нейрона к дендритам и клеточному телу другого нейрона. Поэтому и волокна в целом проводят импульсы лишь в одном направлении: либо от центра к периферии, либо от периферии к центру (центростремительные нервы).
На рис. 22 изображены предсинапсовые нейроны, обозначенные буквой А, и послесинапсовые нейроны — В.
Рис. 22. Предсинапсовые нейроны (А) и послесинапсовые нейроны (В).
Синапсов может быть от одного до нескольких сотен. Их особенно много у двигательных нейронов спинного мозга. Они передают импульсы, связанные с управлением движениями тела.
В мозгу человека, который ученые особенно настойчиво пытаются моделировать, насчитывается 10–15 миллиардов нейронов. Но дело не только в количестве, а и в их исключительной сложности и многообразии функций.
«Современная наука, — пишет в одной из статей известный советский ученый П. К. Анохин, — отчетливо показала, что сама нервная клетка и ее оболочка представляют собой целый мир разнообразных в химическом и физиологическом отношении образований.
Тончайшими методами исследования с помощью электронных аппаратов было установлено, что сотни, а иногда и тысячи контактов, которые имеет каждая нервная клетка, — это только начало того удивительного процесса на молекулярном уровне, позволяющего на теле размером в 20 тысячных долей миллиметра получить бесконечное количество синтетических процессов — „личную долю“ участия клетки в деятельности целого мозга».
Таким образом, нервную клетку вряд ли стоит рассматривать как элементарную деталь: это, условно говоря, уже «узел» «машины-мозга» со сложным комплексом функций, отражающих различные виды деятельности организма. Отсюда можно понять, как трудно искусственно воспроизвести такую клетку мозга.
Работам по созданию аналога нейрона посвящена основная часть исследований в области бионики за рубежом. Нейрон, как уже отмечалось, преобразователь с двоичным выходом, то есть с отсутствием или наличием сигнала. На нейрон биологического организма может подаваться возбуждающий или тормозящий импульс. Первый вызывает «срабатывание» нейрона, если величина энергии, накапливаемой нейроном за определенный отрезок времени, превысит некоторое, как говорят, пороговое значение. Если амплитуда импульса мала, нейрон не «сработает». Но если последовательно действуют несколько слабых сигналов, энергия которых в общей сложности превышает пороговое значение, то нейрон «срабатывает». Это означает, что он обладает свойством временного и пространственного суммирования. На выходе нейрона образуются импульсы стандартной величины и длительности.
Последовательным или временным суммированием именуют такое возбуждение нейрона, когда раздражения, меньшие пороговых, следуют через достаточно короткие промежутки времени. Пространственное суммирование состоит в одновременном подведении к двум или нескольким синапсам отдельных раздражений, более слабых, чем пороговые значения. В сумме они могут вызвать возбуждение нейрона.
Схематически можно изобразить модель нейрона так, как показано на рис. 23.
Рис. 23. Схема модели нейрона.
У нее множество входов, куда поступают сигналы Р1, Р2 и т. д. Они действуют через синаптические контакты S1, S2 и т. д. В этих контактах происходит задержка поступающего сигнала на время, в течение которого происходит выделение особого вещества, повышающего возбудимость нейрона и облегчающего реакцию клетки на последующие импульсы.