Н. Вінер і біологія

Бечін Сергій Веніамінович, м. Северодвинск

Коли математиків і інженерам вдалося вперше створити технічні пристрої, які могли моделювати деякі функції мозку, постало закономірне питання - як же насправді працює наш головний орган? В даний час відомий тільки один вид програмування - математичне. Саме на його основі працюють всі обчислювальні пристрої - від побутових калькуляторів до сучасних суперкомп'ютерів.

Суть математичного програмування в тому, що в обчислювальний пристрій (процесор) вводиться інформація, представлена як набір чисел, а також набір команд - у вигляді програми. Підкоряючись правилами алгебри логіки і командам програми, процесор виробляє обчислення, і на виході ми маємо ті ж цифри, але вже в іншій комбінації. Так як оточуючий нас світ представлений не цифрами, а фізичними та хімічними явищами, то реальний сигнал перед обробкою повинен бути "оцифрований", тобто отримати математичний символ.

Таким чином, математичним називається програмування, при якому сигналу спочатку присвоюється цифровий код, а потім він піддається перетворенням в обчислювальному пристрої відповідно до команд програми. Команда - це математичне дія, або сукупність таких дій. Для "машинного зручності" обчислення здійснюються в двійковій системі. Оскільки вся інформація проходить через процесор, то природно, що його швидкодію є найважливішою характеристикою будь-якої машини.

Перетворюючи сигнали від реальних і уявних об'єктів в набори цифр, і роблячи з ними обчислення за правилами алгебри логіки, вдається ставити потрібні параметри і алгоритми для отримання очікуваних результатів.

В 1943 американський фізіолог У Маккаллок з групи Н Вінера висунув ідею формального нейрона. Було висловлене припущення, що нейрон - це граничний елемент, що має на вході кілька гальмівних або збудливих синапсів, а на виході, в залежності від суми надходять впливів - сигнал або його відсутність, тобто нуль або одиницю. А як тільки з'являються нулі й одиниці, з'являються і математики і, відповідно, намагаються побудувати математичне програмування. Таким чином, "технарі" вже понад півстоліття намагаються по-своєму тлумачити принципи роботи нервової системи і головного мозку.

Однак, хоча і були побудовані нейронні мережі різного типу (бінарні, аналогові та тощо), які виконують широкий клас математичних операцій, розуміння роботи мозку це не принесло. Все-таки мозок - не калькулятор і навіть не комп'ютер.

Тим не менше, віддаючи належне обчислювальної техніки, потрібно визнати, що саме вона дозволяє на сьогоднішній день найбільш повно моделювати наші деякі функції мозку. А роботи у галузі штучного інтелекту розглядаються як новий рівень програмування. І таке явище, природно, не випадково. Мозок - Це орган, створений природою для управління всім тілом. І він дійсно має різні програми сприйняття і поведінки. Програмування - ключове поняття, що дозволяє розібратися в принципах роботи нервової системи. Але ось основа створення і реалізації програм у тваринному світі зовсім інша, ніж та, що застосовується в машині. Це зумовлене одним простим правилом, яке дотримується в біології завжди - відповідність структури і функції. Певна визначена структура задає тільки одну функцію. Це викликано тим, що життя в своїй основі - це сукупність хімічних реакцій. Усі фізіологічні функції організму реалізуються за допомогою тих чи інших хімічних реакцій. А хімічні реакції, як відомо, явища специфічні. Нейронний імпульс - основа роботи нервової системи - є фізіологічна функція клітини.

Якщо вся обчислювальна техніка працює на основі математичного програмування, при якому функція процесора, установлюючи її в даний момент часу програмою і при цьому між програмою і процесором немає ніякої жорсткої зв'язку, то у всіх тварин системах реалізується принцип структурного програмування.

Під структурним програмуванням автором розуміється спосіб записів програм сприйняття і поведінки (і мислення в тому числі) на нейронних ланцюжках різної конфігурації. Ці ланцюжки утворені не формальними, а реальними, тобто спеціалізованими нейронами.

Використання нейронних ланцюгів різної конфігурації як носії сенсорно -- рухових програм - єдино доступний спосіб в живих системах. І це зближує їх з генетичними програмами, в яких інформація про всі хімічних реакціях організму, (а відповідно і фізіологічних), записана ланцюжками повторюваних ділянок молекул в різних поєднаннях. У цьому -- головна відмінність мозку від обчислювальних машин, що працюють на основі цифрових маніпуляцій.

Побудова нейронних мереж та їх робота за законами структурного програмування в корені відмінні від тих правил, за якими побудовані і працюють цифрові програмні пристрою.

Представлення нейронних ланцюгів як носіїв програмних одиниць дозволяє зрозуміти формування мозку в філогенезі і пояснити розвиток основних його функцій аж до свідомості. При цьому існує жорсткий зв'язок між структурою нейронної ланцюга і визначеним нею руховим відповіддю або сприйманим сигналом.

Основні принципи структурного програмування і філогенез мозку як процес вдосконалення і взаємодії регуляторних програм різних напрямків автор виклав у своїй роботі; "Еволюція нейронних систем". (Вийшла за запитом електронною поштою, вкажіть адресу).

(Первинні недиференційовані нейрони в процесі еволюції розділилися на дві функціональні групи. Клітини першої групи - рецептори - перетворять впливу середовища в нейронний імпульс - сигнал. Клітини другої групи - рухові нейрони (процесори) - перетворюють сигнал з рецепторів у набір команд, що надходять на м'язи та інші виконавчі органи. У ході еволюції йшла розходяться спеціалізація нейронів в кожній з цих груп, але первинне розподіл на рецептори і процесори збереглося. Всі наші найскладніші органи почуттів і все найскладніші регулятори рухових комплексів є не що інше, як ускладнені одноклітинні рецептори і рухові нейрони. При цьому принципова схема нервової системи і головного мозку всіх тварин у процесі еволюції не змінилася).

Специфічність функції рецепторів і процесорів визначається, по перше, індивідуальністю конфігурації (структури) нейронної мережі, а по друге, функціональної приналежністю входять до нейронну ланцюг нейронів.

Особливості регуляторних систем, побудованих на основі структурного програмування, полягають в наступному;

Пряме (без "оцифровки") перетворення впливів середовища в сигнал. Розряд будь-якого нейрона в сенсорних відділах мозку - це і є специфічний сигнал. Рецептори якості перетворюють у сигнал хіміко-механічні дії середовища на нейрон. Рецептори наступних шарів у рецепторних системах перетворять в сигнал сумісна дія двох і більше попередніх нейронів. Говорити про сигнальному значенні нейронного імпульсу можна лише з зазначенням конкретного місця розташування нейрона в нейронної ланцюга. Поза ланцюга нейронний імпульс втрачає сигнальний всякий сенс.

Збільшення кількості нейронів у рецепторних відділах мозку дозволяє ускладнювати сприйманий сигнал ( "бачити" більш складний об'єкт). Теж саме в рухових відділах мозку дозволяє ускладнити комплекс вроджених або придбаних дій.

Пряме участь будь-якого сприйманого сигналу у формуванні рухового відповіді. Функціональна готовність будь-якої програми (не вимагається завантаження) і, як наслідок, - висока швидкість роботи нервової системи.

Зміна конфігурації нейронної ланцюги, як у рецепторних, так і в процесорних відділах мозку змінює як сприймається сигнал, так і руховий відповідь.

Порівняємо - В комп'ютерах сигнал представлений, по-перше, у вигляді електричного імпульсу, а по друге, і це найголовніше, з імпульсів формується цифровий код (набори нулів та одиниць в різних поєднаннях), що дозволяє один сигнал відрізнити від іншого. У нервової же системі сигнал представлений нейронних імпульсом і при цьому всі нейронні імпульси за формою еквівалентні один одному. Власне ж значення сигналу визначається місцем розташування нейрона в нейронної мережі і його функціональної приналежністю. Частота і кількість імпульсів для кодування сигналу значення не мають, а визначають лише інтенсивність сигналу, та й то лише приблизно.

Процесор - Це також нейронна ланцюг різної конфігурації. Довжина ланцюга і швидкість нейронного імпульсу визначають час реалізації програми, а конфігурація ланцюга - Набір видаваних команд. Для нервової системи поняття "програмне забезпечення "та" структура процесора "," структура рецептора "- еквівалентні.

Головне відміну мозку будь-якої тварини, включаючи людину, від комп'ютера полягає в тому, що в мозку відбуваються лише два процеси - формування сигналу і рухового відповіді. Ніяких обчислень мозок не виробляє, навіть коли ми займаємося математикою. У комп'ютері ж, яку б завдання він не виконував, крім рахункових операцій нічого не відбувається.

В ніж явно програють нейронні системи регулювання цифровим - так це за складності формованих рухових програм. Жоден нейропроцессор не може містити стільки команд, скільки можна розмістити в одній комп'ютерної програмі. Всі складні дії тварини складені як ланцюг коротких рецепторній - процесорних комплексів, - тобто програмних фрагментів, узгоджених з сигналами зовнішнього середовища або положеннями тіла. Втім, природа вже провела експеримент за ускладнення рухових програм без рецепторного супроводу. Мова йде про комах. Ці тварини здатні виконати складний "Комплекс фіксованих дій" при активації його адекватним сигналом. Але наскільки безпорадними, а то й просто шкідливими стають інстинкти при змінених умовах середовища, напевно, знає багато хто. Так що генеральна лінія в розвитку регуляторних систем, обрана природою - провідна роль сигнального фактора.

Звідси випливає висновок, що системи математичного програмування - це всього лише допоміжний інструмент для систем структурного програмування. Таке положення існує зараз і, швидше за все, збережеться в майбутньому. Швидкість рахунку та набори команд ніякого значення для зародження інтелекту не мають.

Найвірогідніше за все, майбутнє за автомобілями і літаками, здатними "бачити і чути" приблизно так само, як це відбувається у тварин. Тоді помилку пілота або неуважність водія машина зможе виправити сама, рятуючи при цьому багато людські життя. Зі статистики відомо, що у світі щорічно відбувається один мільйон автокатастроф, а 85% усіх авіакатастроф трапляються з вини пілотів.

Автор сподівається, що викладені в статті міркування зацікавлять фахівців з біоніка та інформатики. Початок практичних робіт зі створення регуляторних систем на основі структурного програмування буде означати відкриття нового напрямки в інформатиці. Дослідження саме в цьому напрямку дозволять в повній мірі втілити в технічних пристроях всі функції людського мозку, а також допоможуть людині зрозуміти багато таємниць його психіки.

пропрацьованність даної теми у автора така, що дозволяє приступити до реалізації систем структурного програмування в технічних пристроях.

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://www.sciteclibrary.ru