Лекция 12 Рецепция информации. Свойства бистабильных систем

Рецепция информации – выбор системой одного из своих состояний, сделанный на основании полученной информации. Цель рецепторов (измерительных приборов) состоит в максимально точном соответствии состояния системы и полученной информации об окружающей среде. На основании такого соответствия может быть решена обратная задача: восстановить состояние окружающей среды (информацию, содержащуюся в сообщении) по известному состоянию рецептора.

Для того, чтобы система выполняла задачи рецепции информации, она должна быть бистабильной (мультистабильной). Т.е. иметь два или более устойчивых состояния (важно понятие устойчивости).

Потенциальный рельеф бистабильной системы:

Рисунок 36

На языке теории динамических систем рецепция информации означает перевод системы в одно определенное состояние независимо от того, в каком состоянии она находилась раньше. В современных технических устройствах рецепция, как правило, осуществляется с помощью электрического или светового импульсов. Во всех случаях энергия импульса должна быть больше барьера между состояниями.

В теории динамических систем такое переключение за счет сторонних сил называют силовым. Наряду с ним существует и используется другой способ переключения - параметрический. Суть последнего в том, что на некоторое (конечное) время параметры системы изменяются настолько, что она становится моностабильной (т.е. одно из состояний становится неустойчивым, а потом исчезает). Независимо от того, в каком состоянии находилась система, она попадает на оставшееся устойчивое состояние. После этого параметрам возвращают их прежние значения, система становится бистабильной, но остается в новом состоянии.

Рисунок 37

Параметрическое переключение, как и силовое, является рецепцией информации, отличаются лишь механизмы переключения (рецепции). В современной электронике применяется преимущественно рецепция информации за счет силового переключения. В биологических системах, напротив, преимущественно используется параметрическое переключение (температура, pH и т.д.).

Требования к рецепции и хранению информации: информация должна храниться такое время, которое необходимо для использования ее в управляющей системе. Есть быстрые и медленные процессы управления. Быстрые могут требовать миллисекунд, а медленные – хранения информации в течении нескольких лет.

Примером мультистабильных систем являются нейронные сети, которые представляют собой множество связанных между собой элементов с входами и выходами. Они способны хранить информацию и рецептировать ее. В 1943 году У. Маккаллок и В. Питтс описали первую математическую модель нервной ткани, предположив, что нейроны можно приближенно описать как простые устройства, имеющие лишь два состояния: активное и пассивное. Такие устройства – формальные нейроны – имеют множество входов (синапсов), по которым они могут получать воздействия от других таких же элементов, и единственный выход (аксон), по которому активный нейрон передает собственное воздействие другим нейронам. Аксон на конце может ветвиться и образовывать соединения со многими клетками. Воздействия на данный нейрон со стороны других клеток могут быть возбуждающими или тормозящими – все определяется природой конкретной синаптической связи, каждая из которых характеризуется своей эффективностью (весом). Эти воздействия складываются алгебраически (вес возбуждающей связи положителен, а тормозящей отрицателен), и если сумма оказывается больше некоторого характерного для данного нейрона порогового значения, то последний переходит в активное состояние и передает по своему аксону воздействия другим нейронам. В противном случае нейрон пассивен и не оказывает влияния на другие клетки.

Два примера систем, обладающих свойством бистабильности и могущих выступать в качестве рецепторов и хранилищ информации. Нелинейный маятник:

Она описывает движение шарика массы т в потенциальном поле V(x) при наличии трения (коэффициент трения -):

Химическая бистабильная система. Описывается уравнениями вида:

Смысл коэффициентов. Самовоспроизводство (автокатализ), конкуренция двух типов веществ и насыщение. Нет потенциала.