Выход в свет первого тома энциклопедии “Автоматизация производства и промышленная электроника” оказался для меня и моих коллег — медиков и нейрофизиологов — очень важным и интересным событием. Этот интерес объясняется тем, что в настоящее время кибернетика, электроника все теснее соприкасаются с медициной и творческий союз этих наук дает уже прекрасные результаты.
Вот уже несколько лет, как возникло и успешно развивается самостоятельное научное направление, названное “медицинской электроникой”. Все новинки электроники, все идеи, возникающие в этой области, кровно нас интересуют. Но и инженеры, в свою очередь, проявляют большое внимание к работе физиологов и особенно нейрофизиологов.
Этот взаимный интерес вполне понятен. Физиология весьма многим обязана технике, так как получает от нее все более совершенную аппаратуру, позволяющую расширять круг наших исследований, еще более углублять их. Но физиологи готовы с лихвой оплатить свой долг инженерам, предоставляя им информацию о функционировании живого организма с целью моделирования его в технических устройствах. Их исследования —■ это совершенно неисчерпаемая область новых идей, новых принципов и решений, которые с успехом могут быть использованы в технике.
Возьмем, например, надежность — проблему, которая так волнует теперь инженеров. Мозг человека решает эту проблему исключительно точно и с чудесной простотой. Приходится поражаться, как слаженно и точно, не мешая друг другу, протекают тонкие, взаимосвязанные процессы на уровне одного нейрона в
^ В кн.: Автоматизация сегодня и завтра. — М., 1963, с. 26—32/Новое в жизни, науке, технике, 4 сер. Техника: II/.
этом сложнейшем органе, охватывающем миллиарды нервных клеток.
Две соседние клетки и даже две молекулы надежно “заперты” друг от друга, хотя расстояние между ними составляет только
0,01 микрона. Такая исключительная дифференцировка зависит от специфики каталитических процессов, что и составляет основу надежности мозга.
Выполнение любой функции мозга поражает своей надежностью. Например, состояние и удовлетворение жажды определяется тем, что какой-то десяток клеток в мозгу — гипоталамус — по своему метаболизму настроен так, что поддерживает постоянным на протяжении всей нашей жизни осмотическое давление крови. Мы начинаем испытывать жажду всегда при одном и том же определенном осмотическом давлении. Таким образом, клетки головного мозга протоплазматически тоже построены надежно. В каждой из них происходит свой обмен, и друг другу они не мешают, разделив свои “зоны влияния” специфическими ферментами.
Но одной надежностью дело не ограничивается. Пожалуй, не будет большим преувеличением сказать, что главные проблемы, занимающие сейчас инженеров в области автоматики, великолепно решены уже в живой природе. В качестве примера можно указать на вопросы оптимизации и самоорганизации. Известно, что живой организм продолжает полностью функционировать и после удаления некоторых жизненно важных органов. Как он это “делает”? Поиски ответа на этот вопрос представляют большой научный и практический интерес для инженеров.
Теория функциональной системы, которая была разработана еще 30 лет назад, служит предпосылкой к построению новой отрасли науки — физиологической кибернетики. Для понимания теории функциональной системы очень важным является принципиальное положение кибернетики о том, что явления различного класса развиваются по единой динамической архитектуре, дающей полезный эффект.
Когда мы говорим о динамической архитектуре, то имеем в виду способы функционирования, средства достижения цели конечного эффекта. Эта архитектура в системе организма постоянна как с точки зрения своей конечной цели, так и с точки зрения тех рецепторных аппаратов, которые оценивают степень достижения этой цели. Но ведь именно этим требованиям удовлетворяет любая система автоматического регулирования в технике. Такие системы могут быть и в общественной жизни, мы постоянно наблюдаем их и в живой природе. Таким образом, можно говорить об аналогичной архитектуре самых различных систем. Общность их состоит в основном принципе: отклонение от конечного полезного эффекта служит стимулом возвращения системы к этому эффекту. Для архитектурного плана таких систем характерно наличие обратных связей. В этом кибернетика видит важнейшую предпосылку построения единой универсальной теории управления.
Для всех кибернетических исследований характерен также информационный подход. Поэтому теория информации получила в последнее время быстрое развитие.
В физиологии, как и в технике, информация служит средством управления. Например, регуляторные аппараты центральной нервной системы дают команду рабочим органам. С чем мы здесь имеем дело? С определенным видом информации. Импульсы, идущие от периферии к центральной нервной системе, также представляют собой информацию, которая сигнализирует о степени достижения полезного эффекта. Эти и другие формы информации в организме сейчас широко изучаются с привлечением солидного математического аппарата. Тем не менее вся эта информация является лишь одним из компонентов в функционировании мозга человека — большой кибернетической системы, работающей на основе саморегуляции.
Задачи, стоящие перед физиологической кибернетикой, сложны и разнообразны. Сюда относятся изучение механизма передачи и преобразования информации в организме, кодирование и декодирование внешней энергии при изучении, например органов чувств, исследование каналов передачи информации и др. Изучение всех этих проблем с применением логики и математических расчетов необычайно расширяет наши возможности в познании нервной системы, делает ясней понимание целей и значение информации в общей деятельности организма. Другими словами, все это нам нужно для разработки точной “теории саморегуляции”, как говорим мы, или “теории автоматического регулирования”, как говорят инженеры.
Разработка теории саморегуляции как всеобщего закона деятельности организма должна стать главной задачей физиологической кибернетики. Между тем именно этому общему закону не уделяется должного внимания. Конечно, решение частных задач в области информации, алгоритмирование отдельных физиологических процессов и тому подобная работа сравнительно легка и, быть может, более эффективна. Изучение же интегративных процессов целостного организма, специфических свойств самой интеграции требует большого количества специальных экспериментов, нового подхода и разработки специальной методологии исследований. Но все это должно быть сделано, если мы хотим достичь принципиально новых результатов в изучении кибернетических закономерностей.
Мы рассматриваем функциональную систему как аппарат саморегуляции. Физиологические закономерности систем с саморегуляцией сформулированы нами еще в 1935 г. Характерно, что эти формулировки точно соответствуют принципам кибернетики, сложившимся много позже. Это лишний раз говорит о том, что кибернетика строится на основе реально существующих объективных факторов, следовательно, такое совпадение обязательно должно было иметь место.
Принципы функциональной системы как замкнутого физиологического образования с обратной связью были сформулированы в результате изучения компенсации нарушенных функций организма. Для нас ясно, что функциональная система по своей архитектуре аналогична любой автоматической системе с обратной связью. Поэтому изучение свойств и структур различных функциональных систем организма является общей проблемой кибернетики и представляет первостепенный интерес для всех занимающихся этой наукой.
В этом смысле живой организм аналогичен автоматическому устройству, но он имеет неоспоримые преимущества в отношении надежности, экономичности и поразительной гибкости при экстренном выборе разнообразных средств для получения одного и того же полезного эффекта.
Мы рассматриваем функциональную систему как сочетание процессов и механизмов, динамически формирующееся в зависимости от многосторонней оценки данной ситуации и приводящее к конечному полезному для организма эффекту. Таким образом, состав функциональной системы определяется не анатомически (механизмы анатомически могут быть достаточно oi далены друг от друга), а динамически и обусловливается лишь качеством полезного эффекта. Только этот конечный поле жый эффект определяет компоновку системы и все ее функционнро вание, так же как и прекращение этого функционировании при достижении полезного эффекта. Изучение механизмов атой ра боты мозга и составляет предмет нашей работы.
Функциональная система охватывает не только головной мозг, она представляет собой центрально-периферическое обра зование — нервные импульсы циркулируют непрерывно от центра к периферии и обратно.
Некоторые черты архитектуры функциональной системы имеют общее значение как для физиологов, так и для инженеров, поскольку они дают материал для сравнения биологических саморегулирующихся систем с автоматическими устройствами. В связи с этим прежде всего надо сказать о жизненном узле всякой функциональной системы, который неразрывно связывает конечный полезный эффект с аппаратом оценки степени достижения этого эффекта. Достигается это при помощи рецепторов.
Конечный полезный эффект служит задачам выживания организма. Он особенно необходим, когда речь идет о дыхании, уровне кровяного давления, осмотическом давлении крови и других жизненно важных функциях организма. Таким образом, функциональная система, осуществляя процесс саморегуляции, поддерживает жизненно важные константы организма.
Характерным примером функциональной системы является дыхательная система. На этом примере можно уяснить значение жизненного узла. Конечным полезным эффектом системы является поддержание в организме примерно постоянного соотношения парциального давления кислорода и углекислоты. При отклонении от нормального соотношения вступают в действие механизмы, выравнивающие его. Включает эти механизмы специальный рецепторный аппарат. Система хеморецепторов воспринимает отклонения газового состава крови и посылает импульсы в центральную нервную систему. Отсюда по каналам компенсации нарушений дыхательных функций подаются команды, регулирующие дыхательный объем, глубину вдоха, частоту дыхания, состояние периферических сосудов и т.д. Вот это сочетание хеморецепторов, реагирующих на соотношение кислорода с углекислотой, с окислительными процессами в тканях и представляет собой жизненный узел рассматриваемой функциональной системы.