Совершенствование информационных процессов взаимодействия организма со средой в когнитологии

Глава 1. Возникновение взаимодействия и взаимосвязи на разных стадиях развития живых систем

низма на раздражитель, осуществляемая при обязательном участии центральной нервной системы.

Основное положение рефлекторной теории заключается

вутверждении, что деятельность организма есть рефлекторная (отражательная) реакция на стимул. Рефлекс выступает

вприроде как универсальная форма взаимосвязи, взаимодействия организма и среды, как ответ, возникающий на раздражение специализированных рецепторных структур, осуществляемый при участии центральных нервных образований. В естественных условиях жизнедеятельности рефлекторная реакция имеет место при пороговом и надпороговом раздражении периферических воспринимающих рецепторных элементов нервной системы, образующих входное звено рефлекторной дуги. Тем самым подтверждается известный тезис И. М. Сеченова, высказанный им почти 150 лет назад: «Все акты сознательной и бессознательной деятельности – суть рефлексы» (Сеченов И. М., 2001).

Структурной основой рефлекса является рефлекторная дуга – последовательно соединенная цепочка нервных клеток, обеспечивающая реализацию реакции (ответа) организма на внешнее или внутреннее раздражение. Рефлекторная дуга состоит из афферентного, центрального (промежуточного) и эфферентного звеньев, элементы которых определенным образом связаны между собой (рис. 2).

Втакой рефлекторной дуге выделяют рецепторы, объединенные в рецептивные поля, афферентные (центростремительные) нервные волокна, идущие в нервный центр, центральные (вставочные, промежуточные) нервные клетки, расположенные в центральной нервной системе и эфферентные (центробежные) нервные волокна, идущие к исполнительным структурам. Афферентная часть рефлекторной дуги начинается рецепторами, назначением которых является трансформация внешних раздражений в энергию нервных импульсов, поступающих по афферентному звену рефлекторной дуги к центральным нервным клеткам. Роль рецепторов заключается в трансформации множества различных языков кодирования стимулов, представленных разной энергетичес-

11

Глава 1. Возникновение взаимодействия и взаимосвязи на разных стадиях развития живых систем

Ɋ

3

Ⱥ

4

1

ɋɆ

Ɋ

2 3

4

1

Рис. 2. Дуга спинномозгового рефлекса

А – двухнейронная рефлекторная дуга, Б – трехнейронная рефлекторная дуга,

Р – рецепторный нейрон межпозвоночного ганглия, СМ – спинной мозг; 1 – мышца, 2 – кожный рецептор,

3 – афферентное нервное волокно,

4 – эфферентное нервное волокно.

(по О. Г. Чораяну, Г. А. Кураеву, 2004)

кой основой (химической, физической с соответствующими подмодальностями), в единую форму носителя сообщения – энергию нервного импульса, т. е. язык, доступный, являющийся основным в восприятии, переработке и передаче информации в коммуникационных системах, образованных нервными структурами. Рецепторные элементы образуют рецептивное поле – определенный участок воспринимающей поверхности организма, пороговое или надпороговое раздражение которого оказывается достаточным для запуска рефлекторной реакции.

Афферентные центростремительные пути рефлекторной дуги образованы сенсорными проводящими волокнами, представленными длинными аксонными отростками нервных

12

Глава 1. Возникновение взаимодействия и взаимосвязи на разных стадиях развития живых систем

клеток, по которым волна электрического возбуждения в виде распространяющихся потенциалов действия – нервных импульсов – достигает промежуточных, вставочных нейронов центрального звена рефлекторной дуги.

Вцентральных (промежуточных, вставочных) нервных клетках происходит перестройка (с учетом ранее приобретенной и хранимой в памяти информацией), преобразование определенного паттерна (пространственно-временного узора) импульсных потенциалов в командные сигналы, поступающие к исполнителям, активация которых проявляется в виде либо моторной двигательной реакции, либо секреторной.

Вконцептуальной рефлекторной дуге, рассматриваемой Е. Н. Соколовым (1981), кроме рецепторов, мотонейронов

иэффекторов участвуют еще три класса интернейронов (вставочных, промежуточных нейронов): детекторы, командные нейроны и нейроны-модуляторы.

Модулирующие нейроны характеризуются тем, что они, сами по себе, не вызывая реакций, тем не менее, существенно изменяют эффективность действия внешних раздражений на детекторные и командные нейроны. Структура концеп-

туальной рефлекторной дуги, по Е. Н. Соколову, включает следующую последовательность элементов: рецепторы → первичные детекторы → вторичные детекторы → командные нейроны → мотонейроны → эффекторы.

Образование, формирование интеллекта в процессе фи-

логенеза как одна из форм адаптивного поведения (хотя и самая высшая форма) детерминируется результатами взаимодействия организма с окружающей средой на базе усложнения, совершенствования рефлекторной деятельности, становления, развития и дифференцирования сигнальных систем. Система взглядов человека на окружающий мир, образующая основу его мировоззрения, прежде всего касается природы познания – универсального принципа детерминации явлений и предметов окружающей среды. Понятие детерминизма, определяющее причинно-следственные отношения в мире явлений и процессов, представляет собой один из центральных моментов научного познания.

13

Глава 1. Возникновение взаимодействия и взаимосвязи на разных стадиях развития живых систем

Б. Рассел еще 80 лет назад писал: «Все философы любой философской школы воображают, что причинность является одной из наиболее фундаментальных аксиом или постулатов науки. Однако, как ни странно, в наиболее развитых науках слово «причина» никогда не встречается… Закон причинности, как я полагаю, также как и многое из того, что выдержало испытание в рамках философии, является пережитком прошлого века, который сохраняется подобно британской монархии только потому, что ошибочная его поддержка не приносит вреда. Каждый из своего достовернейшего опыта знает, как расплывчаты и преходящи мысли людей и как случайно их повторение» (Russell B., 1923).

Вся история развития науки, отражающая прогресс в процессах познания, в сущности есть процесс развития представлений, от однозначного к многозначному детерминизму в обобщенной системе «причина–следствие». Однако стоит также признать, что в реальных условиях нет в чистом виде закрытой системы следствий, множество следствий всегда представлено открытой системой. В самой базовой модели «причина–следствие» становится очевидной трансформация векторной однонаправленной связи (от причины к следствию) в двустороннюю кибернетическую систему с элементами обратной связи, когда следствие не только определяется причиной (с разной степенью точности, однозначности или многозначности), но и само влияет на причину, внося еще большую неопределенность во временную динамику схемы реализации системы «причина–следствие») (рис. 3).

ɉɪɹɦɚɹ ɫɜɹɡɶ ɉɪɢɱɢɧɚ ɋɥɟɞɫɬɜɢɟ

Ɉɛɪɚɬɧɚɹ ɫɜɹɡɶ

Рис. 3. Виды связей в детерминированной системе (по О. Г. Чораяну, Г. О. Чораяну, 2004)

14

Глава 2

Развитие вероятностного детерминизма

впроцессе усложнения структуры

ифункции нервной системы

Всистеме естественнонаучных знаний детерминизм как принцип закономерной связи, охватывающей многообразие форм движения материи, занимает особое место. Сущность принципа детерминизма определяется следующим: 1) любое явление имеет свою причину; 2) развитие любого явления подчиняется некоей закономерности; 3) возможно познание закономерности становления (возникновения) любого явления и тем самым предсказание любого процесса. В деятельности мозга особое место занимает детерминация творческого процесса как явление возникновения нового знания. Классический лапласовский детерминизм определяет процесс, в котором имеет место однозначное предсказание последующего этапа, исходя из предыдущего. Для таких случаев справедливо утверждение А. А. Ухтомского о том, что понять закономерность поведения означает умение детерминировать и, как следствие, предсказывать конкретную форму поведенческого акта (Ухтомский А. А., 1954). Классический детерминизм

взначительной степени соответствует здравому смыслу, принципу рационализма, что обусловило почти полуторавековую популярность ошибочной эволюционной теории Ламарка. Однако значительная неопределенность, наблюдаемая

вреальном материальном мире, особенно в мире психического, делает весьма ограниченной сферу применения жесткого лапласовского детерминизма.

Очевидно, жесткодетерминированные явления и процессы составляли лишь частный случай возможных состояний объектов материального мира, при котором рассматриваемое событие имеет вероятность равную 0 или 1, во всех остальных случаях, составляющих большую часть многообразия форм движения материи, эти вероятности принимают промежуточные значения в диапазоне от 0 до 1. Развитие теории

15

Глава 2. Развитие вероятностного детерминизма в процессе усложнения структуры и функции нервной системы

вероятности являлось основанием для мировоззрения стохастического детерминизма. Неопределенность в мире психического во многом обусловлена особенностями процесса познания, связанными с процессами сознания и мышления. Новой формой детерминации явлений в мире психического становится вероятностный, статистический детерминизм

(рис. 4).

Рис. 4. Виды детерминизма (по О. Г. Чораяну и Г. О.Чораяну, 2004)

Вероятностный детерминизм определяет причинно-след- ственные отношения в системах, где происходят процессы, имеющие вероятностный характер, в таких системах невозможно однозначно предсказать будущее прошедшим (Филю-

ков А. И., 1972).

Развитие теории вероятностного детерминизма впоследствии привело к возникновению многозначной логики (в отличие от однозначной лапласовской) – теории размытых множеств и размытой логики, основанной на принципиально новой концепции – фацизме, размытости, расплывчатости, родившейся в конце 60-х годов и получившей широкое распространение в самых различных областях функционирования сложных и сверхсложных систем, в особенности гуманистических (Заде Л., 1968–1995).

По мнению Л. Заде, высокая сложность гуманистических систем, наряду с широким применением в качестве комму-

16

Глава 2. Развитие вероятностного детерминизма в процессе усложнения структуры и функции нервной системы

никации средств второй сигнальной системы (устой и письменной речи), требует подхода, в корне отличного от общепринятых количественных методов анализа систем. В целях реалистического моделирования таких систем необходимо сократить использование стандартных классических математических методов и вместо них применить лингвистический подход, при котором в качестве переменных могут выступать не только числа, но и слова, и предложения естественного или искусственного языка. Тем более, что человеческий мозг в процессе своего развития приобрел замечательные свойства, позволяющие ему разумно действовать в стохастическом размытом окружении. Это свойство основано на способности манипулирования, оперирования неточными количественными параметрами, формулирования выводов, принятия решений на основе неточных количественных данных, в противоположность формальной логике и классической математике, имеющей дело с точными, однозначно определяемыми величинами. Человеческий мозг оперирует терминами, понятиями размытых множеств более легко, чем числами.

Информация вместе с организацией и управлением составляет основу кибернетического подхода к анализу механизмов деятельности живых систем. Развитие биологической кибернетики привело к тому, что все стороны функционирования живых организмов, включая их организацию, обмен веществ и энергии, стали рассматриваться в информационном аспекте. Классическая теория информации К. Шеннона (1963) постулирует в качестве ее основного свойства способность снимать, уменьшать неопределенность ситуации. Большинство известных определений информации основано на представлениях об энтропии системы. Одним из аргументов правомочности такого подхода является формальное сходство предлагаемых формул для количественного определения информации через меру энтропии и соответствующих уравнений, используемых при оценке роли энтропии в термодинамике.

Согласно К. Шеннону (1963), информация вычисляется как мера того количества неопределенности, которое устра-

17

Глава 2. Развитие вероятностного детерминизма в процессе усложнения структуры и функции нервной системы

няется после получения сообщения. Основу статистической теории информации составляет представление об ансамбле – пространстве случайных событий, каждой точке которого приписывается определенная вероятность их реализации. Если х1, х2, …,хn – возможные события данного пространства, а p(xi) – соответствующие вероятности, то мера неопределенности Hi (энтропия системы) определяется как

Hi ¦p(xi) log p(xi).

Энтропия принимает максимальное значение при наибольшей неопределенности выбора, что имеет место при равной вероятности символов, которыми кодируется данное сообщение, выступающее для приемника, адресата в качестве источника информации.

Связь энтропии с вероятностью устанавливает связь энтропии с количеством информации. Основные положения статистической термодинамики непосредственно выводятся из канонической теории информации, развитой К. Шенноном. Эквивалентные отношения между количеством энтропии и информации свидетельствуют о том, что эти величины связаны законом сохранения суммы информации (I) и энтропии

(H), которая постоянна и равна максимальной информации или энтропии: I + H = const.

Полагают, что в неживой природе со временем упорядоченность системы падает (энтропия растет), в живых системах динамика термодинамической вероятности указывает на возрастающую упорядоченность в ходе биологической эволюции. Уменьшение неопределенности означает рост негэнтропии (информации). По Э. Шредингеру (1972), любой живой организм в процессе жизнедеятельности создает внутри себя негэнтропию, потребляя при этом энтропию, увеличивая тем самым энтропию среды, выделяя тепло. При этом количество производимой энтропии в окружающей среде оказывается равным количеству создаваемой негэнтропии (информации) внутри живой системы.

18

Глава 3

Классификация видов информации

В семиотике – теории знаковых систем – принято различать следующие разновидности информации в общем информационном потоке: синтаксическая (статистическая) информация, ассоциируемая со статистическими характеристиками символов, составляющих сообщение, семантическая информация (отражающая смысловую, содержательную характеристику сообщения) и прагматическая (определяющая ценность сообщения для реализации цели, стоящей перед системой) (рис. 5).

Рис. 5. Виды информации

Развитие адаптивных возможностей животного организма в процессе филогенеза базируется на его взаимодействии с окружающей средой на основе формирования и функционирования специализированных сигнальных систем. При этом стимулы внешней и внутренней среды могут рассматриваться как сигналы разной степени значимости как для различных животных, так и для одного и того же организма в разных режимах его функционирования. Эволюция материального мира происходит и проявляется в динамике всех трех составляющих его компонентов: материальный мир – это триединство потоков вещества, энергии и информации. При

19

Глава 3. Классификация видов информации

этом трудно переоценить роль информационной деятельности, которая играет важнейшую, а часто и решающую роль

вобеспечении единства организма со средой. Информация – это сведения, являющиеся объектом восприятия, хранения, передачи и преобразования. В процессе деятельности организма различают следующие основные понятия, которыми оперируют при анализе информационной деятельности системы: информация, знак, сигнал.

Знак – материальный, чувственно воспринимаемый объект (предмет, явление, действие), который выступает как представитель другого предмета, свойства или отношения. Сигнал (от латинского signum – знак) – физический объект, процесс, явление, несущее сообщение о каком-либо событии, состоянии объекта (или наблюдения, или передаваемой команды управления). Понятия информации и сигнала не тождественны: сигнал – материальный носитель информации. Необходимость различения понятий «сигнал» и «информация» обусловлена тем, что сигнал включает физико-хими- ческие характеристики, информация же инвариантна по отношению к формам сигнала (информация – это обозначение содержания сигнала, черпаемое нами из окружающей среды

впроцессе нашего приспособления к ней). На эту роль информации прежде всего обращал внимание Н. Винер (1958), полагавший, что процесс познания и использования информации и является основным процессом нашего приспособления к случайностям внешнего мира и нашей жизнедеятельности в этой среде.

Анализируя различия между информацией и сигналом, Д. И. Дубровский (1980) отмечает следующее: содержание сигнала, определяющее информацию, заключается не в его физических, физико-химических свойствах, а в том, «что его вызвало», «для чего он предназначен». Это «что» и «для чего» и есть основное содержание сигнала, т. е. информация

впрямом смысле слова. Информация как содержание сигнала есть всегда продукт и процесс отражения. Д. И. Дубровский (1980) приводит следующие основные характеристики информации: 1) информация есть результат отражения, она

20