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.

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.

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 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.