921 / 921-IstVT(2015-01-02) / Biblio / LevinV / 10

У животных и человека существует еще инстинкты (от лат. instinctus - побуждение) - сложные безусловные рефлексы (пищевой, оборонительный, половой и др.). Они представляют собой совокупность сложных врожденных реакций (актов поведения) организма, возникающих в ответ на внешние или внутренние раздражения. Инстинкты человека, в отличие от животных, контролируются его сознанием.

В течение жизни мы приобретаем и множество условных рефлексов - еще один вид памяти, представляющий собой реакцию на определенные повторяющиеся события или время. Так, например, чувство голода может возникать у нас во время работы при приближении обеденного перерыва.

Реакция на боль - безусловный рефлекс, возникшая у ребенка при первом соприкосновении, например, к раскаленной печке, превращается затем в условный рефлекс. Больше ребенок никогда к раскаленной печке не прикоснется. Таким образом, условный рефлекс - это своеобразная память, которую живой организм приобретает и накапливает в течение своей жизни.

Научившись ходить, плавать, ездить на велосипеде, играть на музыкальных инструментах, человек сохраняет это умение всю свою жизнь.

А как мышечный аппарат выполняет эти навыки? Этим занимается наука биомеханика или физиология активности.

Создателем этой науки является российский ученый, нейро- и психофизиолог Николай Александрович Бернштейн (1896-1966 г.г.).

Подлинное изучение мозга началось с выхода книги И.М. Сеченова "Рефлексы головного мозга". А затем И.П. Павлов ввел понятие условного рефлекса. Н.А. Бернштейн разработал теорию активности мозга. Подобно тому, как физика А. Эйнштейна вместила в себя как частный случай физику И. Ньютона, так теория активности Н.А. Бернштейна включает в себя в качестве составной части учение об условных рефлексах И.П. Павлова, хотя и во многом спорит с ним.

Рис. 10.15. Н.А. Бернштейн

Биомеханика (от био... и механика), изучает механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происхождение в них механического явления (при движениях, дыхании и т. д.). Ее еще называют "наукой о рычагах человеческого тела". Н.А. Бернштейну удалось установить, что в сложнейшем "концерте" управления множеством мышц при выполнении самых различных действий, например, игры на рояле, участвуют все уровни головного мозга.

Биомеханика имеет важное значение при изучении трудовой, музыкальной, спортивной деятельности. Она помогает строить роботы, копирующие движения человека и животных.

Н.А. Бернштейн первым в мировой науке понял, что изучение движений является своеобразным ключом, способом познания закономерностей работы мозга. До Бернштейна изучали движения человека только с целью их описать, а Николай Александрович изучал движения, чтобы понять, как работает мозг при управлении ими. При этом им были открыты такие фундаментальные явления в управлении, как сенсорные коррекции, более известные теперь в кибернетике как "обратные связи" (они описаны Бернштейном еще в 1928 г., то есть почти за 20 лет до того, как это сделал создатель кибернетики Норберт Винер), принцип иерархического, уровневого управления и многое другое.

Н.А. Бернштейн считал себя учеником И.М. Сеченова, который еще в 19-м веке предположил, что все управление движениями человека сводится к непрерывной коррекции хода перемещения звена (например, руки или ноги), осуществляемой центральной нервной системой на основании данных от органов чувств (например, от органов зрения, слуха или осязания).

Николай Александрович первым понял, что нервная система, "подав команду" на начало какого-нибудь движения, никогда не оставляет его без контроля и, в случае необходимости, немедленно корректирует его. Это явление он и назвал "сенсорной коррекцией".

Н.А. Бернштейн критиковал созданную И.П. Павловым теорию рефлекса по схеме нервной дуги, идущей от органов чувств к мозгу, а от него к мышцам и железам. Эта дуга не замыкалась в рефлекторное кольцо, характерное для управляемого процесса - она не содержала обратной связи, то есть не учитывала непрерывного контроля за действием и его результатом.

Подвергал критике Н.А. Бернштейн и теорию И.П. Павлова о второй сигнальной системе - свойственной только человеку и отличающей его от животных. По теории И.П. Павлова эта система условно-рефлекторных связей формируется при воздействии речевых сигналов, т. е. не непосредственного раздражителя, а его словесного обозначения. Николай Александрович отмечал, что животные легко дрессируются с помощью слов так же легко, как и с помощью других сигналов - света, звука, запахов. Он считал, что назывательные элементы речи, из которых у человека образовалась категория имен, не могли нести сигнальной функции и не образуют никакой системы. В то же время он утверждал, что "слова и речь как отражение внешнего мира в его статике (имена) и динамике действий и взаимодействий с субъектом (глаголы, суждения) действительно образуют систему, доступную и свойственную только человеку". Своей критикой Бернштейн не разрушал учение Павлова, а только уточнял, углублял и продолжал его.

Как возражение Павлову Н.А. Бернштейн писал книгу "История учения о нервном импульсе". Во Всесоюзном институте экспериментальной медицины в 1936 году была запланирована их очная дискуссия. Но Павлов в том же 1936 году умер. Узнав, что его оппонент больше никогда не сможет ему ответить, Николай Александрович отдал в типографию распоряжение рассыпать набор уже готовой книги.

В последующие годы Н.А. Бернштейн создал теорию координации движений, задачей которой считал "преодоление избыточных степеней свободы движущегося органа, иными словами - превращение его в управляемую систему. Короче, координация есть организация управляемости двигательного аппарата. В основном определении с намерением говорится не о закреплении, притормаживании и т.п. избыточных степеней свободы, а об их преодолении".

Дело в том, что кости в руках и ногах человека скреплены между собой суставами, имеющими не менее двух, а плечевой даже трех осей вращения. Поэтому кисть руки имеет минимум 7 степеней подвижности, то есть возможность перемещаться по 7 независимым траекториям. И это только одна кисть, а у человека их две, а на каждой из них по 5 подвижных пальцев, состоящих из трех фаланг. Всего звенья тела человека, учитывая подвижность корпуса, обладают объемом движений, выражающимся трехзначным числом. Но это только возможности двигательного аппарата. А как человек осуществляет движения в каждом конкретном случае, когда нужно использовать только небольшую часть этих возможностей? Н.А. Бернштейн считал координацию организацией управляемости двигательного аппарата, заключающейся в преодолении избыточных степеней свободы.

И.П. Павлов и его сторонники считали, что жизнь живых существ представляет собой непрерывные ответные реакции на информацию, поступающую из непрерывно меняющегося мира. По их мнению, эта информация воздействует на органы чувств и пробуждает образованные ранее многочисленные временные связи (условные рефлексы), которые и определяют поступки и действия животных и человека. Это объясняло далеко не все проявления работы мозга. Сам Павлов это понимал. Он говорил, что когда обезьяна строит вышку, чтобы достать плод, то это условным рефлексом назвать нельзя.

Н.А. Бернштейн считал, что закономерности движений человека объяснить только одними условными рефлексами, как это вытекало из теории И.П. Павлова, нельзя. Заученных, привычных движений очень много, но неизвестных человеку движений значительно больше. А как быть при освоении новых движений, например, при обучении езде на велосипеде, плаванию или игре на рояле? При этом известно, что человек, научившись в детстве или в юности ездить на велосипеде, плавать или играть на музыкальном инструменте, сохраняет эти навыки всю последующую жизнь. Или чтение "с листа", когда музыкант, глядя в ноты, без всякой подготовки играет записанное в них незнакомое музыкальное произведение. Не менее сложна игра "по слуху", когда человек играет на рояле или на гитаре услышанную им мелодию, не зная ее нотной записи. Пианист - виртуоз играет на память сложнейшие музыкальные пьесы. При этом его пальцы движутся как бы сами собой. Стоит ему задуматься во время игры о последовательности их движений, как он может сбиться. Такова механическая память движений.

Идеи Бернштейна развивали одну из догадок И.М. Сеченова о том, что мозг активен. Мозг не пассивно воспринимает информацию из окружающего мира и только отвечает на нее действием, а сам активно воздействует на мир. При этом он непрерывно создает прогнозы будущего, основанные на вычислении вероятности. Это будущее существует в мозгу в виде модели. Бернштейн понял, что мозгу заранее известна цель любого действия. Эта цель служит причиной для начала действия и может изменяться в самом процессе этого действия, совершаемого по принципу обратной связи - с постоянным сообщением "с мест" о достигнутом результате действия и непрерывной коррекцией движения.

В этом состоит теория активности (биология активности), созданная Н.А. Бернштейном: человек отличается от всего животного мира лишь тем, что у него принцип активности, боевой самоорганизации стал осознанным и формируется в членораздельной речи и языке.

Н.А. Бернштейн создал уровневую теорию управления двигательными навыками. Она заключается в том, что в зависимости от механической сложности и психологической важности движения управление ими осуществляется определенными участками головного мозга. Смысл такого уровневого управления движениями несколькими иерархически соподчиненными кольцами состоит в том, что каждое из этих колец регулирует только часть структуры движения, подчиняясь при этом более высоким кольцам, и так до уровня, управляющего смысловой частью движения. Эти кольца - объединения нервных клеток - нейронов мозга, управляющих движением, распределяют между собой роли по иерархии умения, целой лестнице подчиненности и распределения обязанностей. Часть нейронов только намечает общие пути достижения цели движения и включает крупные подразделения мышц, а за детали исполнения отвечают следующие кольца - группы нейронов и т.д.

На основе достижений биомеханики ученые НАСА - космического агентства США - разработали устройство и программное обеспечение, которое позволяет распознавать слова еще до того, как человек их произнес. Для этого на его горле, по обеим сторонам кадыка ("адамова яблока") закрепляют датчики, которые улавливают нервные импульсы в гортани и ротовой полости еще до того, как слова произнесены. Ведь именно с помощью мышц во рту, горле, на языке и голосовых связках формируются произносимые человеком звуки. Сигналы в нервах этих мышц от мозга появляются еще до того, как слова произнесены вслух. Считывание этих сигналов равносильно чтению мыслей на расстоянии. Эти исследования находятся только в начале пути. Пока удается распознать несколько простых слов (например: налево, направо, иди) и цифры от 0 до 9. В 92% случаев программа узнала то, что испытуемый подумал, но не произнес. Однако ученые планируют возможность обходиться без клавиатуры при работе на компьютере, возможность людей безмолвно переговариваться между собой (например, осуществлять общение глухонемых между собой без жестикуляции). Начинает сбываться давняя мечта - узнать, о чем думает человек!

И еще один важнейший научный подвиг совершил Н.А. Бернштейн, на этот раз в только еще рождавшейся космической медицине. В начале 60-х годов готовился первый полет человека в космос. У медиков были серьезные опасения, что космонавт в невесомости потеряет координацию движений и затем не сумеет ее восстановить. За советом обратились к Николаю Александровичу. Он рассуждал так. В космосе гравитация исчезает. И он предложил испытать изменение координации у будущих космонавтов при повышенной гравитации - на центрифуге. Опыты по его методике проводились с В. Быковским, В. Комаровым, Б. Волыновым. Они показали, что координация движения человека сначала нарушается, но постепенно восстанавливается. Первый космический полет Юрия Гагарина блестяще подтвердил этот прогноз. После полета А. Николаева и П. Поповича Н.А. Бернштейн выступил по радио с прогнозом биологического состояния человека в космическом пространстве и опубликовал обзор "Наука штурмует космос".

А теперь поговорим о памяти, связанной с высшей нервной деятельностью человека. Она существует двух родов: кратковременная (или оперативная) и долговременная.

Оперативная память играет вспомогательную роль и используется, например, для арифметических расчетов. При умножении чисел она дает возможность запоминать промежуточные результаты ("два пишем, четыре в уме"). Но после выполнения всей операции эти промежуточные результаты становятся ненужными и только "засоряют" память. Поэтому они очень скоро забываются. Глубину кратковременной памяти психологи измеряют количеством цифр или слогов, которые человек может запомнить с первого раза. При этом предлагают ему запомнить их в полном беспорядке, без какого-то смысла. Оказалось, что емкость оперативной памяти составляет всего 7-8 слогов, но для каждого отдельного человека эта емкость постоянна. При изучении оперативной "механической" памяти было замечено, что лучше всего запоминаются первые и последние цифра или слог. Предполагают, что средние слоги оказывают "торможение" со стороны соседних и поэтому труднее запоминаются. Из этого правила есть исключение - у профессиональных "счетчиков", обладающих специальными приемами запоминания и быстрого счета и использующих их в профессиональных целях в качестве своеобразного аттракциона.

Безграничная память

Способность быстро забывать ненужную информацию - это естественное свойство памяти нормального человека. Но бывают и редкие исключения. Известный психолог А.Р. Лурия в течение многих десятилетий наблюдал человека по фамилии Шерешевский. Он с первого раза запоминал огромный объем информации и помнил ее десятки лет. Сам он объяснял свой прием запоминания так. Он мысленно представлял себе улицу в своем родном городе и при сообщении ему длинного ряда букв или цифр мысленно "расставлял" их у каждого фонарного столба. Когда ему нужно было вспомнить эти цифры или буквы, он снова представлял себе эту улицу и как бы "считывал" эти цифры и буквы с этой мысленной картины. А.Р. Лурия объяснил этот феномен следующим образом. Маленькие дети мыслят исключительно образами, а затем этот способ запоминания постепенно ослабляется. У Шерешевского же эта детская способность сохранялась всю жизнь. Однако у этой феноменальной памяти были и существенные недостатки. Во-первых, вспоминать запомненную информацию Шерешевский мог только путем последовательного перебора всего заученного, поэтому он вспоминал ее медленно. Во-вторых, он испытывал большие трудности в забывании ненужной информации. Для того, чтобы забыть какие-либо буквы или цифры, он вынужден был снова представлять себе ту самую улицу и мысленно "зачеркивать" ненужные цифры и буквы. Только таким искусственным приемом он мог от них избавиться.

Профессиональная, оперативная и долговременная память

У взрослых людей появляется еще и профессиональная память. Особенно хорошо она видна на примере врачей, помнящих невероятный объем информации: сотни и тысячи болезней, рецепты лекарств, своих пациентов; музыкантов, помнящих огромное число музыкальных произведений; шахматистов, помнящих множество шахматных дебютов, целых партий и способных играть сеансы одновременной игры "вслепую" с большим числом партнеров. Правда, у каждого профессионала вырабатываются свои приемы запоминания, связанные с хорошими знаниями и интересом к своей профессии.

Долговременная память работает совсем не так, как оперативная. Ведь многие вещи нам нужно помнить практически всю жизнь. Так, например, таблицу умножения мы заучиваем в первом классе школы и помним ее всю жизнь - в отличие от результатов каких-то текущих арифметических вычислений. Таким же образом мы запоминаем алфавит родного или иностранного языка, грамматические правила и великое множество самой различной информации.

Способности к обучению и запоминанию новой информации на многие десятки лет особенно проявляются у детей в возрасте до 3 лет. Именно за этот период ребенок получает не менее половины информации, которую он запоминает за всю свою жизнь. Достаточно вспомнить, как быстро ребенок (за первые полтора - два года) начинает говорить на родном языке. Да и изучение иностранных языков дается детям гораздо легче и быстрее, чем взрослым, особенно пожилым людям (как и любое другое обучение).

Ослабление памяти в старости начинается с ослабления именно оперативной памяти - именно так проявляется склероз.

Пожилой человек прежде всего забывает свежие события и факты и, в то же время, отчетливо помнит события и факты многолетней давности, даже детства. Чаще всего это начинается с того, что человек забывает, где он положил тот или иной предмет, например, очки, и начинает искать их по всей квартире. Долговременная память у пожилых сохраняется гораздо дольше, чем оперативная. Сохранению долговременной памяти очень способствует интеллектуальная работа в пожилом возрасте, в особенности при занятии любимым делом.

В чем же коренное отличие долговременной памяти от оперативной? Оперативная память в основном - механическая. Правда, запоминание можно сделать смысловым. Простейшим приемом является так называемый "узелок на память", то есть установление некоторых смысловых связей.

Определенная часть запомненной информации отбирается и передается на хранение в долговременную память.

Механизм запоминания, ассоциации

Каков механизм запоминания? Прежде всего, предметы, факты, события и явления запоминаются не изолированно. Ведь в жизни они связаны между собой. Поэтому следы их воздействия соединяются в мозге связями, называемыми ассоциациями. Они существенно облегчают процесс извлечения нужных знаний из долговременной памяти. В памяти компьютера производится адресная закладка информации, позволяющая затем извлечь ее по этим адресам. А если адрес неизвестен, то для извлечения нужной информации приходится производить ее полный последовательный перебор, до тех пор, пока не находится нужная. Так, если книги в Вашей библиотеке стоят беспорядочно, то для поиска нужной книги приходится перерыть всю библиотеку. Но за счет высокого быстродействия компьютера этот последовательный перебор происходит довольно быстро. Извлечение же нужной информации у человека происходят по ассоциациям. Это обеспечивает достаточно высокую скорость поиска, несмотря на то, что сигналы по нервным цепям передаются значительно медленнее, чем в компьютере. Ассоциации вызывают у человека целую цепочку воспоминаний.

Между прочим, анекдоты вспоминаются тоже по ассоциациям, их обычно рассказывают к подходящему случаю. Тогда они производят особенно хорошее впечатление. Просто запомнить их почти невозможно, да и рассказывать без связи с общей беседой неинтересно.

Предметы и понятия хранятся в нашей памяти в виде образов. Эти образы имеют расплывчатый, обобщенный характер. Например, образ стола, стула или шкафа не имеет каких-то конкретных деталей, а носит схематический, условный характер, однако обладающий всеми основными признаками этого предмета. То же касается и природных явлений, например, дождя, снега, шторма на море. В памяти человека хранится огромное количество таких образов и понятий.

Какое же количество информации может запомнить человек за всю свою жизнь? Он способен обработать около 20 бит в секунду, то есть оценить около миллиона различных возможностей в секунду. В день за 14 часов можно обработать 18 миллиардов битов. Для хранения такой информации достаточно одной тысячной части всех нервных клеток мозга. Человек способен вспоминать нужную информацию за десятые доли секунды, для чего требуется скорость поиска около 50 миллиардов битов в секунду. Обработка такого гигантского количества информации обеспечивается за счет параллельной работы нервных структур - в отличие от компьютера, где все операции происходят только последовательно.

Относительно механизма долговременного хранения информации существует несколько гипотез, в том числе химические, создания устойчивых замкнутых цепей возбуждения в нейронной сети (нейронных колец).

Существует известная догма: нервные клетки не восстанавливаются. Недавние исследования ученых показали, что это неверно. В течение жизни человека в мозговой ткани происходит образование новых нейронов. Предполагают, что этот процесс связан с действием механизма долговременной памяти. Это дает надежду врачам на возможность лечения болезни Альцгеймера - старческого слабоумия, которое грозит каждому из нас в возрасте 85 лет.

А как забыть ставшую ненужной информацию, например, устаревший номер телефона? Для этого существует так называемое внутреннее торможение.

Нейрофизиологам важно знать, сосредоточена ли память в отдельных его областях или рассеяна по всему мозгу. По данным одних исследований считалось, что память сосредоточена в определенных местах мозга. Однако известны случаи, когда при разрушении значительных участков мозга не происходит "стирание" памяти. Это наталкивает на мысль, что память рассеяна по всему мозгу, и вызывает некоторую аналогию (разумеется, не прямую, а только функциональную) со свойством голограммы содержать информацию обо всем предмете в каждом ее участке.

Еще одна аналогия между свойствами мозга и голограммы состоит в следующем. При запоминании какого-нибудь предмета или картины за короткое время фиксируется лишь общий образ. Только после длительного рассматривания удается потом вспомнить отдельные детали. Правда, встречаются некоторые люди, особенно среди художников, с так называемой "фотографической" памятью. Им достаточно один раз рассмотреть предмет или человека, которого они хотят запечатлеть на полотне, чтобы потом писать картину или портрет по памяти. Но это исключение из правила.

Недавно японские нейрофизиологи получили новые данные о работе механизма памяти. В частности, они выяснили, что процесс воспроизведения информации в несколько раз медленнее ее запоминания.

По данным этих ученых, весь механизм запоминания локализован в височных долях серого вещества. Сначала увиденная информация по зрительному нерву передается на внешнюю оболочку коры мозга, а затем - в ее внутреннюю область, которая является "архивом памяти". На этот процесс затрачивается 0,1 секунды. За этот промежуток времени во внутренней области коры мозга происходят электрохимические реакции, кодирующие полученную информацию. Они переводят ее в символы, по которым нейроны потом могут отыскать нужные картинки - образы. А когда человек что-то вспоминает, то происходит обратный процесс - из "архива" нейроны передают необходимую информацию на поверхность серого вещества. Длительность этого процесса составляет около 0,4 секунды. Эта разница во времени, по-видимому, уходит на поиск нужной информации.

На основании проведенных исследований японские нейрофизиологи, вслед за академиком Натальей Бехтеревой, пришли к выводу, что человек вообще ничего не забывает, а просто не все может вспомнить. Причиной этого могут быть, например, нарушения связей между внешней и внутренней стороной коры головного мозга. Разгадка этих нарушений позволит бороться с некоторыми болезнями мозга, и, в частности, со склерозом.

Таким образом, вопрос о том, локализован ли механизм памяти в определенной области мозга или рассеян по всему мозгу, нельзя считать выясненным окончательно.

Искусственный интеллект

Одним из самых загадочных явлений является так называемое распознавание образов человеком. Ведь мы можем почти мгновенно опознать знакомого человека в толпе или его голос по телефону.

В течение всей жизни человек распознает образы: он сравнивает увиденные и услышанные образы с хранящимися в его памяти и опознает знакомые образы. В соответствии с этим он принимает решения о своих действиях. Этот процесс представляет собой одну из самых сложных загадок человеческого мозга. На его решение уже потрачены многие годы и значительные научные силы. Ведь это очень важно для работ по созданию искусственного интеллекта и автономных роботов.

Алан Тьюринг в начале 1950-х годов сформулировал такой тест: компьютер можно считать разумным, если он способен заставить нас при общении с ним поверить, что мы имеем дело не с машиной, а с человеком.

По мере продвижения работ в области искусственного интеллекта появляются все более новые его определения. Одно из самых полных принадлежит одному из самых крупных ученых в этой области Марвину Мински (США): "Это наука по созданию машин, которые могут делать то, что им позволяет делать уровень человеческого интеллекта".

Рис. 10.16. Марвин Мински

Начало работ по созданию машин, обладающих искусственным интеллектом, стимулировал Норберт Винер своей знаменитой книгой "Кибернетика, или управление и связь в животном и машине", появившейся в 1948 году. Он выдвинул принцип обратной связи, который заключается в использовании информации, поступающей из окружающей среды, для изменения поведения машины. В своей книге Винер доказывал, что благодаря обратной связи все живое приспосабливается к окружающей среде и добивается своей цели. Эта книга стала результатом его работ в области создания средств вычислительной техники для нужд обороны и его совместных исследований с физиологом Артуро Розенблютом.

На их основании Винер увидел глубокую аналогию между поведением машин и живых организмов в их приспособлении к изменениям в окружающей среде с помощью универсального механизма обратной связи - общего для техники и живой природы. Винер также обратил внимание на важнейшую роль обратной связи для поддержания гомеостаза у живых организмов - механизма поддержания устойчивости основных физиологических функций организма.

Винер также установил следующую аналогию между нервной системой и вычислительной машиной: важнейшей функцией обеих является память, "т.е. способность сохранять результаты прежних действий для использования в будущем". Он отмечает, что существует память, необходимая для выполнения текущих процессов, например умножения. При этом промежуточные результаты не имеют ценности после завершения процесса, и должны уничтожаться. Такая память должна позволять быстрые запись, считывание и стирание. Но существует память, предназначенная служить частью архива (или постоянной записи) машины или мозга и составлять основу будущего поведения машины.

В то же время Винер увидел и различия между поведением машины и мозга. Машина предназначена для выполнения многих последовательных программ и может быть очищена при переходе от одной программы к другой, а мозг в нормальных условиях никогда не очищается от своих прошлых записей. Поэтому мозг не является полным подобием вычислительной машины.

Говоря о памяти, Винер отмечает, что "хороший способ построить кратковременную память - это заставить последовательность импульсов циркулировать по замкнутой цепи до тех пор, пока эта цепь не будет очищена внешним воздействием". Весьма правдоподобно, что это и происходит в нашем мозге при хранении импульсов, относящихся к так называемому "мнимому настоящему". Этот способ был воспроизведен в вычислительных машинах.