Нейробионика как наука

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Процессы в нейронных структурах мозга давно привлекают к себе внимание специалистов, разрабатывающих новые принципы построения эффективных информационных систем. Выявление принципов нейронной организации мозга становится теперь особенно актуальным в связи с возникновением идей по созданию многоканальных вычислительных систем с параллельной обработкой информации, разработкой автономных управляющих систем типа роботов, развитием идей искусственного интеллекта.

Основной задачей нейробионики является исследование нейронной организации мозга, направленное на разработку новых принципов построения искусственных информационных систем из нейроподобных элементов. Эта задача разветвляется на следующие три: структурно-функциональное моделирование нейронов, моделирование нейронных механизмов обучения и памяти, структурно-функциональное моделирование нейронных сетей[1, с.15].

Важным условием развития нейробионики как науки об общих принципах нейронной организации с последующим использованием этих принципов в технике является создание соответствующей элементной базы. Такой базой являются, в частности, нейроподобные суммирующие аналоговые элементы со многими входами, коэффициенты связей (веса) которых могут временно или длительно изменяться. Эти изменения достигаются либо воздействием на связи сигналов от других элементов, выполняющих функции управления связями, либо в процессе прохождения по ним сигналов. Размещено на http://www.allbest.ru/

Нейробионические структуры могут явиться эффективной элементной базой для создания роботов, обладающих в той или иной степени искусственным интеллектом. Константность восприятия и управления движением в константно воспринимаемой среде -- вот главное их достоинство.

Прикладные задачи нейробионики определяются требованиями техники, промышленности и направлены в основном на разработку многоэлементных информационных систем, в которых используются принципы организации нейронных структур мозга, на разработку практических рекомендаций по их созданию.

Глава 1. История нейробионики как науки

Нейробионика - раздел бионики, ставящий своей целью изучение и моделирование деятельности нервной системы человека и животных для нужд техники.

Прародителем науки считается Леонардо Да Винчи, он говорил: "Милостивая природа позаботилась так, что ты во всем мире найдешь чему подражать". Изучая строение крыльев птиц, Леонардо Да Винчи мечтал о полете в воздухе. Позднее по его схемам и чертежам была разработана модель орнитоптера.

В 1962 - 1966 гг. учеными-нейробиониками были исследованы биологические системы различных уровней сложности. Моделирование речевого поведения человека и ассоциативной памяти, также бы проведены разработки методик исследований электрической активности структур головного мозга и отдельных нейронов, управлению основными нервными процессами в головном мозге с помощью электрических токов и магнитного поля[5].

Из современных ученых можно назвать имя Осипа М.Р. Дельгадо. С помощью своих радиоэлектронных приборов он изучал неврологическо-физические характеристики животных. И на их основе пытался разработать алгоритмы управления живыми организмами. Подобные опыты проводились и в СССР, а в Российской Федерации в связи с общим упадком науки - многие программы были свернуты, а многие специалисты трудятся теперь в зарубежных исследовательских центрах.

Биологические науки позволяют создать новые технические средства и инженерные решения, дающие возможность человеку неизмеримо увеличить как свои возможности, так и власть над окружающей его средой.

В медицине описаны проекты (частично осуществленные) так называемых следящих систем, призванных поддерживать на определенном уровне функциональное состояние мозга (наркотическое состояние, сна, гипноза, эпилепсия, скорость и количество введения медикаментов). Академик Н.П. Бехтерева подчеркивала: сочетание воздействий, технически основанных на принципе обратной связи (а в общем плане - на принципе условного рефлекса), с новыми данными об организации мозга открывает ещё одну возможность в лечении его заболеваний.

Также нейробионика может помочь конструктору ЭВМ в создании необычайно емкой памяти машины; конструктору приборов эта наука способна будет предложить новые варианты высокочувствительных электронных "глаз", "ушей", "носа". Нейробионика поможет врачу в автоматизации наркоза и анабиоза, позволит добиться управления возбуждением и торможением в центральной нервной системе, сформировать надежные методы оценки нервно-психологического состояния человека.

В 1956 г. советскими учеными в Центральном научно-исследовательском институте протезирования и протезостроения Министерства социального обеспечения РСФСР был создан макетный образец "биоэлектрической руки" - протеза, управляемого с помощью биотоков мышц культи. Это "чудо ХХ в.", впервые демонстрировалось в советском павильоне на Всемирной выставке в Брюсселе.

Конструкция первого механического сердца была разработана еще в конце 1930-х гг. русским хирургом Владимиром Демиховым. Устройство это представляло собой насос, приводящийся в действие электромотором. Эксперименты показали перспективность идеи как таковой: собакам, у которых функции удаленного сердца выполнял его рукотворный аналог, удавалось прожить до двух с половиной часов. Спустя 30 лет после этих опытов была проведена первая подобная операция на человеке. Цель ее была сравнительно скромной - дать пациенту возможность протянуть несколько дней в ожидании донорского сердца. В начале 1980-х гг. было создано устройство, рассчитанное на длительный период работы. Искусственное сердце, которое получило название "Jarvik-7", предназначалось также и для больных, которые никогда не дождутся своего донора. Ситуация обычная, поскольку органов, пригодных для трансплантации, никогда не было в избытке. Первый из пациентов, подключенных к "Jarvik-7", прожил 112 дней, еще один - 620 дней[6].

В апреле 2001 г. в России создана первая в мире интеллектуальная машина - брейнпьютер, которая способна выполняющая функции головного мозга человека. В основу принципа работы нового компьютера положена модель клетки головного мозга человека, созданная с учетом последних открытий в области нейрофизиологии и нейроморфологии. По сообщению Интерфакса, идея создания искусственного "мозга" принадлежит российскому ученому, академику международной академии информатизации Виталию Вальцеву. По словам ученого, брейнпьютер вначале "проходит обучение как новорожденный ребенок", что позволяет запрограммировать некую модель его действий.

Все предыдущие попытки ученых создать искусственный интеллект терпели неудачу, главным образом, потому, что за основу бралась модель нейрона спинного мозга человека. Виталий Вальцев для создания по-человечески мыслящих машин заменил базовый элемент нейрокомпьютеров, с модели нейрона спинного мозга на модель нейрона головного мозга.

В будущем ученые будут добиваться направленного воздействия физических факторов на определенные участки центральной нервной системы, уяснять в полной мере механизм адаптивных реакций организма на системном уровне. Использование, с одной стороны, биологических принципов для познания собственного организма, работы нашего мозга, с другой стороны - создание новых совершенных механизмов, машин, систем, базирующихся на использовании биологических принципов деятельности, сформировавшихся на протяжении миллионов лет эволюции живого на земле. Также для написания компьютерных программ, имитирующих мысленную деятельность человека, вероятно, будет использоваться новый способ, изобретенный Джеймсом Андерсоном (James Anderson). Доктор Андерсон создал "перспективный симплекс" (perspective simplex), или Perspex, - способ написания компьютерной программы, напоминающей скорее геометрическую структуру, нежели последовательность инструкций. Это изобретение не только делает теоретически возможным разработку роботов с мышлением, способным к обучению и развитию, оно также дает ключ к решению философской проблемы отношения разума и тела живых существ.

Глава 2. Возможноти нейробионики

Нейробионика -- наука об организации технических систем из нейроподобных элементов. Основным этапом нейробионических исследований является моделирование нейроподобных систем при помощи ЭВМ или на базе уже имеющихся функциональных элементов. Под нейроподобными системами понимаются физические системы или математические модели, воспроизводящие наиболее существенные информационные свойства нейронных структур.

Систематизация накопленных к настоящему времени фактов нейробиологии и полученных в настоящей работе результатов, которые реально воспроизводимы в моделях ИС, позволяет обосновать вывод о том, что для повышения эффективности построения и прогнозирования путей развития ИИ первостепенное значение имеют следующие особенности мозга. Построение динамически перестраивающейся архитектуры коры из 8 разнотипных элементов. Генез памяти, потребности, доминанты, различных форм условных рефлексов, составляющих основу интеллектуальных процессов мозга, в выходных интегрирующих элементах модуля коры больших полушарий мозга. Направленность особенностей торможения и запрещающих команд, которые до настоящего времени не были использованы в ИС, на повышение быстроты, точности и надежности выполнения сложных функций, формирование пачечной активности, связанной с реализацией наиболее сложных функций, повышение информационной значимости сигнала, устранение ошибки в недостаточно обученной системе и при нарушениях памяти, создание оптимального состояния последующих исполнительных структур, эффективную борьбу с шумами. Постоянное количественно и качественно изменение комбинации работы параллельно и иерархически организованных структур обеспечивает необходимую минимизацию числа связей и потоков информации, снижает перегрузки деталями работы конечных уровней иерархии и снижает объем поступающей к ним информации, обеспечивая сочетание быстродействия с использованием больших объемов памяти при выполнении сложных задач. Дифференцированное поступление по отдельным ветвям аксона с одного выхода интегрирующего выходного нейрона модуля информационных и управляющих сигналов на последующие близко расположенные и исполняющие разные функции структуры обеспечивает возможность координации большого числа разных функций в малом объеме, резко повышающее эффективность работы мозга. Улучшение качества обработки и передачи сигналов по мере увеличения объема и сложности информации и сложности работы регулирующих механизмов за счёт раздельности реакций на силовые и временные параметры от одного сигнала.

Наибольшие возможности моделирования высших функций мозга в ИИС лежат на путях использования целенаправленной потребностно-возбудительной регуляции в элементах, реализующих конечные функции мозга. Этим создаются возможности значительного расширения диапазона сигналов, вызывающих данную функцию (по типу доминантности реального мозга), снятия реакций на стимулы потерявшие актуальность, определения информационной значимости разных сигналов и обеспечения реакции микросети в соответствии с этим критерием, автоматизированного отслеживания стадии выполнения задачи, принятия решения об ее окончании, возможность обучения и формирования функций прогнозирования и т.д.

На этой основе создано программно-информационное обеспечение ИИС - Брейнпьютер. В Брейнпьютере реализуются возможности выполнения таких высших функций мозга, как целенаправленный выбор наиболее значимой информации из внешней среды, реализация ситуационных стратегий по режимам принятия решений, управление решениями задач и их ранжировка, решение задач в условиях неопределенности и др.

Настройка потребностно-возбудительной регуляции позволяет Брейнпьютеру эффективно решать широкий круг принципиально разных задач, что продемонстрировано на примерах решения задач распределения ресурсов на телевидении и управления большими системами из оборонной сферы. Размещено на http://www.allbest.ru/

Можно выделить два класса нейроподобных структур: сети их нейроподобных элементов и локальные цепи, в которых элементами выступают отдельные компоненты нейронов. Частным случаем локальных цепей является взаимодействие дендритов.

После выяснения организации тех или иных нейронных механизмов оказывается возможным из нейроподобных элементов строить системы, не имеющие прямых биологических прототипов, но отвечающие общим принципам их построения.

Важным условием развития нейробионики как науки об общих принципах нейронной организации с последующим использованием этих принципов в технике является создание соответствующей элементной базы. Такой базой являются, в частности, нейроподобные суммирующие аналоговые элементы со многими входами, коэффициенты связей (веса) которых могут временно или длительно изменяться. Эти изменения достигаются либо воздействием на связи сигналов от других элементов, выполняющих функции управления связями, либо в процессе прохождения по ним сигналов.

Нейробионические структуры могут явиться эффективной элементной базой для создания роботов, обладающих в той или иной степени искусственным интеллектом. Константность восприятия и управления движением в константно воспринимаемой среде -- вот главное их достоинство.

Так же нейробионика занимается разработкой манипуляционной системы с биоэлектрическим управлением. Сегодня биоэлектрические протезы могут выполнять многие функции руки человека, за исключением игры на фортепиано и поднятия больших тяжестей. Протезы могут даже чувствовать. Тензометрические чувствительные элементы на концах пальцев измеряют частоту колебаний зуммера, закрепленного на руке рядом нервом, ведущим к мозгу. При сжатии пальцев с силой до 3 кг, искусственная рука чувствует изменения порядка 0,1 кг. Имеются протезы, в которых тензометрические чувствительные элементы управляют сервомеханизмами, сжимающими пальцы. Применяют также логические и программные устройства, которым достаточно одного сигнала, чтобы протез выполнил целый ряд действий. Все говорит за то, что наибольшее распространение получат протезы с обратной связью (с сигнализацией в виде колебаний или электрических импульсов, передаваемых коже). Биоэлектрические протезы будущего научатся реагировать на температуру и состояние поверхности предмета.

Можно также ожидать, что инвалиды будут пользоваться несколькими добавочными руками, подключенными параллельно живым.

Уже построен «мощный» робот высотой 5 м, управляемый биосигналами сидящего в нем человека. Достаточно легкого движения руки человека -- и робот вырывает дерево вместе с корнями.

Создано также и другое устройство -- усилитель мускульной силы человека. Это легкий стальной «скелет» с сервомеханизмами, управляемыми биоэлектрическими импульсами. Человек при использовании такой конструкции развивает силу, в шесть раз большую, чем обычно.

Имеются уже биоэлектрические «рукавицы», благодаря которым космонавт или подводник может свободно одной рукой выполнять работу, требующую приложения силы около 40 кг. Добавлением служат усилители силы пальцев. Энергия для усиления человеческих мускулов берется от электрических или гидравлических систем[2, с.53].

Искусственные руки становятся все длиннее. Это значит, что вместо проводов, соединяющих их с человеком, применяются радиоволны. Такие руки, управляемые на расстоянии с помощью биоэлектрических импульсов, работают при больших температурах, в атомных устройствах и т. п.

Рост скоростей в технике привел к тому, что нормальные реакции водителя или пилота стали недостаточными. Ученые начали интересоваться системами «человек--машина». Скажем, в системе «человек--автомобиль» время реакции водителя с момента принятия решения до включения ножного тормоза 0,4 ... 0,5 с. Само время передачи нервных импульсов от мозга до мышц ног (при скорости распространения нервных импульсов порядка 100 м/с) -- около 0,15 с. За время 0,5 с автомобиль со скоростью 100 км/ч пройдет путь около 12,5 м[4].

Конструкторы попытались сократить путь нервных импульсов и время реакции. Водитель во время опыта получал очки со стальными спиральными пружинками, снабженными серебряными электродами, которые прижимаются к надбровным дугам. Электроды соединены с транзисторным усилителем, на выходе которого находится реле, управляющее сильным электромагнитом, связанным с автомобильным тормозом. В случае опасности достаточно водителю нахмурить брови, чтобы автомобиль начал тормозить уже через 0,15 с. При скорости 100 км/ч путь, пройденный автомобилем до момента торможения, будет составлять только 3,75 м вместо 12,5 м. Кроме автоматического тормоза, который срабатывает через 0,15 с, автомобиль имеет и обычный ножной тормоз.

Сейчас пытаются использовать изменения выражения лица пилота для управления сверхзвуковыми самолетами. Миниатюрные электроды заменят известные сегодня виды управления (ручное и ножное).

Пилоты космических станций получат возможность управлять с помощью движения глаз. Речь идет о том, что поворот глаза на 10 вызывает изменение биоэлектрических потенциалов глазных мышц в пределах 10 ... 40 мкВ. При этом сохраняется линейная зависимость между углом поворота глаз до 30° и амплитудой биотоков. Эту линейную зависимость можно использовать для управления с помощью усилителей и сервомеханизмов.

Пытаются также использовать нетипичные реакции мышц, возникающие в момент перегрузок, для управления движущимися объектами.

Интересные результаты дают эксперименты, связанные с непосредственной передачей мыслей на расстояние. В будущем такой метод управления позволит усовершенствовать различные производственные процессы и транспортирование.

Много усилий затрачивается на поиск источников электроэнергии у животных. В качестве биоэлектростанции можно применить, например, электрического угря. Во время опыта в течение 8 ч мышь без вреда для здоровья питала своей энергией радиопередатчик. Может быть, в будущем крупные животные будут в течение всей своей жизни поставлять нам дешевую энергию, получаемую от биотоков.

Биологический элемент, состоящий из двух электродов (из платины и нержавеющей стали), имеет э. д. с. 0,1 ... 0,65 В и мощность 114 ... 155 мкВт. Один электрод приживляется на животе крысы, собаки или кролика, а другой -- под кожей на груди. Электроды можно также разместить в любом месте системы кровообращения. Тем самым мы как бы получаем разновидность «жидкого топлива»[3, с. 73].

Установлено, что даже растения имеют электрические потенциалы, хотя и менее интенсивные, чем у людей или животных. Речь может идти о биоэлектрической стимуляции развития растений. Если это удастся, то урожаи будут более частыми и обильными.

В России и США в последние годы построены чувствительные приборы, регистрирующие токи нервных волокон растений и деревьев. Благодаря этому можно получить, например, «электрический пейзаж». Случайно открыто, что длинные волосы и борода могут дополнительно влиять на музыкальное восприятие, так как являются особого рода рецепторами[6].

Глава 3. Открытые горизонты и цели нейробионики

Рассмотрение процессов переработки информации в живых организмах и автоматах явилось основой создания двух направлений: биокибернетики, цель которой изучить процессы управления в живых организмах, используя методы кибернетики, и бионики, применяющей принципы управления в живых системах при создании новых кибернетических систем. Соответственно следует определить нейрокибернетику как направление, связанное с изучением процессов управления и переработки информации в нервной системе, и нейробионику -- как наиболее перспективный раздел бионики, ставящий своей целью изучение и моделирование деятельности нервной системы человека и животных для нужд техники.

Темпы научно-технического прогресса, так называемый информационный взрыв, усложняющиеся экологические условия обитания человека, обусловленные освоением космического пространства и Мирового океана, выдвигают нейробионику в число наиболее актуальных, «горячих точек» современной науки.

Несмотря на грандиозные успехи науки и техники, есть чему поучиться у живой природы. Это говорил еще Леонардо Да Винчи: «Милостивая природа позаботилась так, что ты во всем мире найдешь чему подражать». Физик Ч. Сноу говорил, что в конце 20 столетия мерилом образованности служит знание основ молекулярной биологии и нейрофизиологии. Многие ученые считают будущий век -- веком биологии. Конструкторы различных технических устройств (автоматизации, электроники, сверхмощных ЭВМ, искусственного интеллекта) могут позавидовать компактности, надежности и способам переработки информации в живых системах. Простое копирование живых объектов было основным лозунгом бионики. Тривиален пример создания самозатачивающихся резцов, эхолокаторов, «электронных» глаз, ушей, средств обоняния и т. д. Что уж говорить о микро миниатюрности и надежности элементов мозга: считают, что плотность нейронов мозга человека -- 225 млн. элементов в см3; ежедневно в нашем мозгу отмирает 100 тыс. нервных клеток, однако в нормальных условиях он не теряет своей работоспособности; считается, что объем памяти человека достигает минимум 1013 бит информации. Рецепторы, включая зрение, насчитывают 300 млн. чувствительных клеток, соединенных с мозгом 3 млн. нервных волокон. При этом считается, что осмысленной обработке подвергается всего 100 бит/с. Неясно, как осуществляется такое «сжатие» информации. Поэтому нужно идти дальше -- от копирования тех или иных «устройств» к моделированию основных закономерностей живого. Бесспорно, копирование полезно: например, давно бы избавились от флаттера -- вибраций, разрушающей самолет, если бы своевременно присмотрелись к устройству крыльев бабочек; удалось бы значительно ускорить плавание морских судов, зная «секреты» рыб; улучшили бы распознавание образов, зная принципы этого процесса у живых систем. В этих системах есть совершенно миниатюрные датчики огромной чувствительности: некоторые рыбы реагируют на пахучие вещества с концентрацией -- 14 мг/см3; теплоанализатор на голове гремучей змеи фиксирует изменение температуры в 0,001 . Брюшко обыкновенной пчелы -- весьма чувствительный индикатор загрязнения воздуха его используют как основной элемент биоэлектронного регистратора. Новый индикатор пчелы в состоянии отличить папиросный дым от дыма трубки, определяет количество алкоголя в выдыхаемом воздухе и замечает одну миллионную часть грамма химических загрязнителей питьевой воды[3,с. 167]. Размещено на http://www.allbest.ru/

Именно нейробионика способна решить такие жгучие проблемы, как биоэлектрическое управление и биопротезирование (киборгизация) нервно-мышечных аппаратов (протезы улитки уха, восстановление деятельности парализованных мыши и нервов и. т. д.). Вживленные протезы и стимуляторы носят уже тысячи людей.

Начинает решаться проблема симбиоза человека и машины, мозга и ЭВМ. В круг проблем бионики и нейробионики входит изучение и моделирование жизнедеятельности высокоорганизованных организмов, корректировка их поведения (управление сигналами живого организма техническими устройствами, например, использование сигналов глазодвигательной системы для управления летательными объектами в условиях большой перегрузки, так и управление функциями мозга и других его систем для нормализации и интенсификации его деятельности). Известно, что в 60 % случаев отказов в нормальном функционировании механизмов «виноват» человек. Два из трех летных происшествий происходит из-за ошибок летного состава. По зарубежным данным аварии при запусках ракет следует отнести за счет «человеческого фактора»; в 63,3 % морские корабли сталкиваются, тонут, садятся на мель из-за ошибок людей[3,с. 171].

Необходимо сочетать ближние и дальние цели. Одной из дальнейших целей является использование биологических принципов для познания собственного организма, работы нашего мозга, с одной стороны, и с другой -- создание новых совершенных механизмов, машин, систем, базирующихся на использовании биологических принципов деятельности, сформировавшихся на протяжении миллионов лет эволюции живого на земле. Здесь заложено одно из основных направлений НТР. При прогнозировании ближайшего будущего утверждают, что во главу угла станет создание живого из неживого, уяснение работы мозга животных и человека, таких явлений, как память, эмоции и мышление, и на этой основе управление ими.

Биологические науки позволяют создать новые технические средства и инженерные решения, дающие возможность человеку неизмеримо увеличить как свои возможности, так и власть над окружающей его средой (под термином «среда» мы понимаем не только непосредственное воздействие информационных факторов, непрерывно «бомбардирующих» нас со всех сторон, но и влияния, изменяющие нашу жизнь в пределах Солнечной системы, Галактики).

Биология дает нам возможность «позаимствовать» ее патенты. Скажем, современный самолет в 10 раз уступает птице по грузоподъемности на единицу силы двигателя[5].

Сведя элементы современных ЭВМ к размерам нервных клеток, мы имели бы «машинный мозг», измеряемый миллиграммами. Нетрудно предвидеть, что микроэлектроника в ближайшие десятилетия позволит приблизиться к «плотности компоновки» (как выражаются инженеры) кирпичиков мозга (225 млн. в см3), резко снизив габариты ЭВМ и их быстродействие. На деле, нейрон -- сверхбольшая микросхема[3,с. 187].

Подсчитали, что элементарными активными элементами нейрона можно считать отдельные молекулы белка ионных каналов. Тогда правомерно допустить, что «нейромикросхема» содержит 1011 --1012 активных элементов. Это -- максимальная оценка. Если же снизить эту оценку до числа его контактов (синапсов) с другими нейронами, то получим цифру что-то около 104. Но существенна не только «количественная» часть -- в мозгу нейроны сами организуются (в точности пока это не известно) в определенную отлаженную схему; могут перестраиваться, соединяться в «ансамбли» по вероятностным законам. Это -- основа нашей памяти и активной защиты при «поломке» подсистем мозга и его приспособления к окружающей среде.

Эти примеры могут дать хороший толчок для развития техники, но при условии ее тесной «стыковки» с биологией.

Маккалок определил бионику так: «...Джек Стил удачно составил слово «бионика» из «бион», что означает нечто живое, и «ика» означающее науку о чем-то. Будучи рождена как сочетание науки и искусства, она представляет собой, очевидно, незаконнорожденное образование, не имеющее официального прошлого, но зато имеющее многообещающее будущее и наделенное, как все гибриды, большой жизненной силой. Это нечто вроде гибрида скальпеля с паяльником. Бионика пытается путем тонкого изучения способов связи и управления в биологических системах улучшить конструкцию и характеристики искусственных, главным образом электронных систем, чтобы приблизить их по надежности, гибкости, приспособляемости и экономности к их естественному прототипу».

Это направление предполагает широкое использование методов различных наук для познания живого в целях создания новой технологии. Техника по своей природе носит двойственных характер - с одной стороны, она создана мыслящим человеком и как таковая содержит в себе элементы социальной, т. е. высшей по сравнению с биологической, формы движения (примером может служить возможность логической переработки информации в современных информационно-логических системах). С другой стороны, технические процессы любой степени сложности реализовались (и пока еще реализуются) только в системах, созданных на неорганической основе (низшие по сравнению с биологической, формы движения материи). Относительная «простота» элементов, образующих технические системы, определяет неизбежное «несовершенство» структуры, способа связи элементов образующих эти системы. Отсюда -- задача «переноса» некоторых форм функционирования биологических систем в системы технические. Так возникает бионический подход, исходящий из того, что грубо говоря, часто лучше не изобретать заново, а открывать существующее у живой природы, в ходе эволюции селектировавшей оптимальные (в соответствующих условиях) решения.

Понятно, что между мирами техники и биоэволюции существуют глубокие различия, и полезно знать, где, в каких областях, в каких аспектах эти различия настолько велики, что технологическое моделирование живого оказывается невозможным или нецелесообразным. Однако столь же необходима и ясность относительно черт общности технологии и жизни, ибо естественно, что «заимствование» у живой природы будет тем успешнее, чем больше объективное сходство между соответствующими системами.

Создаётся впечатление, что мы стоим на пороге коренных нововведений в саму систему мышления нейрофизиологов, психологов, всех, кто занимается биологическим аспектом искусственного интеллекта, сопоставимых, пожалуй, с теорией относительности, принципами дополнительности и неопределенности. Размещено на http://www.allbest.ru/

Перед этой наукой длинный и трудный путь. Надо переходить к интенсивному этапу развития бионики, т. е. от копирования (порой слепого) живых объектов -- к функциональному моделированию живых систем. Новый путь, может быть, и сложнее, и проще имитации живого.

Биологический аспект бионики в целом должен быть направлен не только на познание механизмов работы биологического прототипа для имитации его техническими системами, но и дать «ключ» для управления жизненными процессами с помощью физических и химических факторов.

В 60-х гг. формулировался основной лозунг бионики: от живой природы -- к повой технике. Появились такие направления бионики, как моделирование органов чувств животных и человека, изучение и использование ориентации и навигации живых организмов, биоэнергетика, моделирование высшей нервной деятельности, изучение и моделирование действия внешних факторов (магнитного и электромагнитного, акустического и других полей) на организм человека и животных, исследование характеристик человека как звена в системе управления, и на этой основе -- оптимизация систем «человек - машина». Отсюда и идет изначальный процесс развития бионики, который можно назвать экстенсивным[3,с. 154].

Нужно обратить особое внимание на роль и значение развития биотехнических (в частности, нейроэлектронных) систем. Создание их -- насущная задача бионики, нейробионики. Выдвинуты, например, предложения по использованию мозга животных (кошки) для включения его в систему управления ракетой. При этом используется как информация, содержащаяся в биопотенциалах мозга, так и предусматривается электростимуляция зон мозга для изменения его состояния в нужную форму.

В медицине описаны проекты (частично осуществленные) так называемых следящих систем, призванных поддерживать на определенном уровне функциональное состояние мозга (наркотическое состояние, сна, гипноза, эпилепсия, скорость и количество введения медикаментов).

Академик Н. П. Бехтерева подчеркивает: сочетание воздействий, технически основанных на принципе обратной связи (а в общем плане -- на принципе условного рефлекса), с новыми данными об организации мозга открывает ещё одну возможность в лечении его заболеваний. «Разрушение» устойчивого патологического состояния, формирование новых отношений в мозгу может быть осуществлено на основе электрических воздействий на зоны, активация которых в заданном направлении изменяет (подавляет) болезненную симптоматику в четкой зависимости от появления или непоявления этой симптоматики (при автоматизированном включении подкрепляющих воздействий). Формирование новых устойчивых состояний принципиально осуществимо при использовании эмоционально активных зон -- тех областей мозга, активация которых вызывает положительные или, наоборот, отрицательные эмоциональные реакции. Повторное подкрепление желаемой реакции (состояния) воздействием, вызывающим положительные эмоции, и, наоборот, болезненной реакции -- воздействием, вызывающим отрицательную эмоцию, может оказаться исключительно активным приемом переобучения мозга. Эффект может развиться необычайно быстро, быть прочным и достигаться за счет «вынужденного» и направленного использования резервов, компенсаторных возможностей мозга и, таким образом, заданного формирования новых функциональных систем[3, с. 46].

На основании анализа Иванова-Муромского К.А отечественного, зарубежного и личного опыта им была предложена классификация нейроэлектронных систем.

Класс А. Пассивные системы: 1) изучение психофизиологических показателей для диагностики и прогнозирования состояния человека и животных в различных (в том числе экстремальных и патологических) условиях с помощью технических средств обработки и отображения информации. Создание мониторов различного ранга для автоматизации сбора и переработки информации о состоянии организма человека и животных, прежде всего психического; 2) использование биологических систем в качестве датчиков (оптических, слуховых, тактильных) для технических систем. Создание систем, использующих биофизические и биохимические тестирующие сигналы о состоянии организма на основе физико-химических и биологических принципов; 3) использование средств теоретической и технической кибернетики для изучения мозга («нейроантибионика»).

Класс Б. Активные, адаптивные системы: 1) использование принципов отрицательной и положительной обратной связи, саморегуляции для целенаправленного изучения и влияния на различные системы организма, прежде всего мозга. Определение путей использования «скрытых резервов» центральной нервной системы. Самоуправление функциональным состоянием центральной нервной системы; 2) создание нейробионических систем с целью нормализации и интенсификации деятельности человека-оператора, ликвидации патологических состояний различной этиологии (психические расстройства, расстройства памяти, сна; задержка действия ядов, шокогенных факторов, ионизирующей радиации; наркоз, гипноз и т. д.). Управление организмом с помощью динамических моделей активности мозга и электрической активности «активных точек» поверхности тела; 3) изыскание новых форм создания гибридных бионических систем, использующих целенаправленное поведение живых организмов для контактного или телеметрического управления техническими устройствами; 4) нейрокиборгизация (морфо-функциональное протезирование нервной системы) -- взаимодействие реальных и искусственно созданных нервных и нейронных сетей.

Следует расшифровать пункт из класса «Б» -- «самоуправление функциональным состоянием центральной нервной системы». Оказалось, что с помощью обратной связи (прежде всего, зрительной) можно научить человека регулировать такие вегетативные функции, которые, казалось бы, не подвластны нашей воле: увеличивать или уменьшать частоту сердцебиений, дыхания, величину зрачка, температуру тела и т. д., ориентируясь на подаваемые сигналы (скажем, зажигание лампочек различного цвета). Видимо, многие «секреты» йогов объясняются именно развитой способностью саморегуляции жизненных функций.

Исследовались биологические системы различных уровней сложности (моделирование речевого поведения человека и ассоциативной памяти, разработка методик исследований электрической активности структур головного мозга и отдельных нейронов, управлению основными нервными процессами в головном мозгу с помощью электрических токов и магнитного поля, моделирование свойств возбудимых тканей).

Изучалась электрическая активность корково-подкорковых структур мозга кроликов при воздействии ряда химических (эфир, барбитураты, аминазин) и физических факторов (импульсный ток). Проведен сравнительный анализ взаимодействия структур при различных функциональных состояниях, при котором использовались методы математической обработки с помощью ЭВМ. В мировой литературе таких работ -- единицы. Описанная методика позволяет дать четкую оценку функционального состояния структур мозга. Получаемые данные положены в основу гипотезы о принципах работы мозга[3,с. 159].

Теперь разработаны методики для изучения эмоциональной устойчивости человека-оператора к стрессовым ситуациям (что позволяет проводить профотбор по этому качеству) и коррекции функционального состояния пациента в кабинете активной релаксации с помощью комплекса безлекарственных средств; портативный комплекс методик для изучения индивидуальных особенностей человека и одорологических исследований в практике МВД.

Проведены исследования: а) по изучению функциональной значимости различных фаз дыхательного цикла, в результате чего было доказано существование индивидуальных вариаций связи этих фаз с процессами возбуждения и торможения в ЦНС (что необходимо учитывать при выработке рекомендаций по управлению функциональным состоянием человека с помощью коррекции дыхательного цикла); б) по изучению информативности различных электрических характеристик биологически активных точек для диагностики неврологических и сердечно-сосудистых заболеваний; в) по определению регуляционных характеристик систем организма. Размещено на http://www.allbest.ru/

Проведены работы в области разработки комплексной методики безлекарственных воздействий на пациента с целью оптимизации его функционального состояния; создания автоматизированной системы для многостороннего исследования личности; выяснения механизмов высшей и внутренней синхронизации систем организма с целью управления функциональным состоянием с помощью ритмостимуляции; изучение информативности различных электрических характеристик биологически активных точек кожи для диагностики и прогнозирования течения некоторых заболеваний; выяснение закономерностей адаптационного процесса систем организма человека в разных условиях.

Проведены работы по изучению индивидуальных и общих закономерностей адаптационного процесса в условиях моделирования различных функциональных состояний.

В будущем ученые будут стараться добиваться направленного воздействия физических факторов на определенные участки центральной нервной системы, уяснять в полной мере механизм адаптивных реакций организма на системном уровне.

Заключение

Главное отличие современных инженерных конструкций от тех, что создала природа, состоит в энергоэффективности. Совершенствуясь и эволюционируя в течение миллионов лет, живые организмы научились жить, передвигаться и размножаться с использованием минимального количества энергии. Этот феномен основан на уникальном метаболизме животных и на эффективном обмене энергией между разными формами жизни. Природные материалы относительно недороги и распространены в достаточном количестве, а их «качество» значительно лучше произведенных человеком. Таким образом, заимствуя у природы инженерные решения, можно существенно повысить энергоэффективность современных технологий. В автомобилестроении уже используются такие решения, как парковочный радар, системы управления конструкцией отдельных узлов и т. д. Перспективные биоинтеллектуальные системы автомобиля смогут самостоятельно совершенствовать собственный дизайн и менять свою форму самыми разнообразными способами, например, добавляя недостающий материал в определенные части конструкции, изменяя химическим состав отдельных узлов и т.д.

Бионический принцип преобразования информации в самой общей форме заключается в том, что элементарные образы разной сложности посредством специальной организации нейроподобных сетей отображаются в точки на специальных экранных поверхностях. Точки представляют собой отдельные нейроны-детекторы. При изменении сигнала на таком экране происходит перемещение отображающих сигнал точек -- перемещение возбужденной области по множеству детекторов. Экранные структуры могут взаимодействовать между собой так, что экран более высокого уровня является инвариантом, на котором отображаются определенные соотношения сигналов нижележащих экранов.

Экран такого типа является удобной формой представления внешнего пространства инвариантно по отношению к расположению воспринимающих органов. Размещено на http://www.allbest.ru/

Особенностью отображающих экранных структур является то, что процесс переработки информации в них происходит параллельно во множестве образующих экранную структуру каналов. Замечательным свойством сетей из нейроподобных; элементов является то, что на входе анализирующих структур используются обладающие малой селективностью элементы, а на выходе таких структур в результате специальной организации связей между нейроподобными элементами образуются элементы с высокой селективностью. В основе организации таких структур лежит принцип латерального торможения.

Бионический принцип управления также сводится к принципу организации экранных структур. В основе его -- кодирование номером канала: каждому элементу экрана соответствует отдельный канал управления.

Нейробионика делает первые шаги, но уже видно ее значение. Она может помочь конструктору ЭВМ в создании необычайно емкой памяти машины; конструктору приборов эта наука способна будет предложить новые варианты высокочувствительных электронных «глаз», «ушей», «носа». Нейробионика поможет врачу в автоматизации наркоза и анабиоза, позволит добиться управления возбуждением и торможением в центральной нервной системе, сформировать надежные методы оценки нервно-психологического состояния человека. А это -- средства борьбы с различными тяжелыми заболеваниями, в том числе и психическими, сохранения работоспособности оператора, вынужденного справляться со сложнейшими задачами, которые ставит перед человеком НТР.

Список литературы

1. Соколов, Е. Нейробионика. Организация нейроподобных элементов и систем./ Е. Соколов, Л. Шмелев М.: Наука, 1983 г.

2. Моделирование в биологии / пер. с англ., под ред. Н. А. Бернштейна, М., 1963.

3. Иванов-Муромский К. Нейрофизиология, нейрокибернетика, нейробионика. / К. Иванов-Муромский Киев: Вища школа, 1985г.

4. neurones.ru - нейронные сети в решении практических задач [Электронный ресурс] neurones.ru Copyright © 2010

5. Брейнпьютер [Электронный ресурс]. Режим доступа: brainputer.raai.org

6. Contre.ru [Электронный ресурс]. Режим доступа: shkolniysayt.wallst.ru/zavtra.htm.

Размещено на http://www.allbest.ru/