Кибернетика живого организма
Источник: журнал «Знание – сила», №11, 1958 год. Автор: П. Гуляев, д.б.н.
МОЖНО ЛИ ГОВОРИТЬ КАК УГОДНО БЫСТРО?
Весь земной шар опутан телеграфными и телефонными проводами. Пространство вокруг него заполнено электромагнитными волнами, несущими информацию. Но средствами связи мы пользуемся не только когда нам нужно отправить телеграмму или послать письмо. Такой же «телеграф» действует и в нашем организме, когда мы читаем, слушаем или просто ходим по улицам. Вот вы шагнули на ступеньку лестницы или обратились к своему товарищу с приветствием, и тотчас внутри организма заработал телеграф: «точка», «тире», «точка», «тире» – побежали первые сообщения.
Большую часть своего времени мы заняты передачей информации друг другу по всевозможным линиям связи и приёмом информации своими органами чувств. Оперируя с информацией в течение всей жизни, мы думаем, что совершенно свободны в наших действиях при её передаче и приёме. Нам не приходит в голову, что мы находимся под действием строгих законов, безнаказанно нарушать которые нельзя. Но как же обнаружить действие этих законов? Попытайтесь, например, говорить быстрее – и вы заметите, что существует предел скорости, за которым ваша речь становится уже непонятной. Наоборот, попробуйте её замедлить – и вы убедитесь, что слишком медленная речь также непонятна. Существует оптимальная скорость передачи речи, и изменить её вы не можете, она проявляется, как естественный закон информационного процесса. То же самое вы обнаружите, увеличивая или уменьшая громкость своей речи.
В чём же состоит этот закон? Существуют ли вообще единые законы, присущие всем информационным процессам, где бы они ни протекали? Или законы связи так же разнообразны, как и конкретные средства связи? Есть ли, например, что либо общее, когда информация передаётся по телефону или когда она передаётся от органов чувств по нервной системе?
Информационный процесс начинается от источника информации – например, мы подаём телеграмму на телеграф. Затем необходим передатчик информации – телеграфный аппарат. Он преобразует слова нашего послания в телеграфные знаки: точки и тире – кодирует телеграмму. На приёмной станции электрические сигналы снова преобразуются в слова – телеграфное сообщение декодируется. Наконец, телеграмма вручается получателю.
Эта схема связи отображает процессы, происходящие не только при передаче сообщений по телеграфу, но и по телефону, по радио, письмом, через газеты и так далее. Она универсальна.
Сравним эту универсальную схему связи с тем, что происходит в организме.
Наш организм обладает механическими связями и органами чувств, воспринимающими механические свойства окружающих нас тел – твёрдость, мягкость, жёсткость, шероховатость, гладкость, тяжесть, лёгкость, их положение в пространстве, движение.
Затем в человеческом теле имеется более 100 триллионов клеток, связанных между собой химической связью через кровь и лимфу. А соответствующие органы чувств воспринимают химические свойства внешних тел – запах, вкус – и «сообщают» об этом организму.
Механические и химические связи достаточны для животных и растений, ведущих неподвижный образ жизни или пассивно перемещающихся в какой-либо среде. Активное движение невозможно без управления им. Для этого необходима ещё одна связь – нервная. Она осуществляется через посредство нервной системы (головного и спинного мозга), состоящей из особых клеток – нейронов.
Своими короткими отростками – дендритами – нейроны связаны между собой. Своими длинными отростками – нервными волокнами – они связаны как между собой, так и с органами чувств, мускулатурой, железами, внутренними органами и кожей. Наше тело буквально пронизано нервами. По ним непрерывно передаются нервные импульсы, осуществляющие связь всех частей организма между собою. Таким образом все органы нашего тела соединены между собой через нервную систему аналогично жителям большого города, связанным через центральную телефонную станцию.
Источник информации – это внешняя среда. Передатчиками являются органы чувств. Они преобразуют раздражения, вызываемые внешней средой, в нервные импульсы. Нервный импульс – это сигнал связи. Каналом связи в организме являются нервы. Приёмником информации – центральная нервная система.
Мы видим, что природа давным-давно создала свой «живой телеграф». А когда стали усиленно развиваться различные технические средства связи, то человек пришёл и той же универсальной схеме, которая является общим законом.
КАК ИЗМЕРИТЬ ИНФОРМАЦИЮ?
На первый взгляд это кажется невозможным. Ведь информацию нельзя взвесить или измерить линейкой. Она кажется неуловимой, превращаясь то в звуки речи, то в электромагнитные импульсы, то в радиоволны, то в печатные знаки газеты. Тем не менее всё же удалось измерить и её.
Допустим, вы идёте по дороге и она раздваивается. Перед вами возникает вопрос куда идти: направо или налево? Вы находитесь в неопределённом состоянии до тех пор, пока каким-либо способом не получите сведений о том, куда повернуть. Предположим, вы узнали, что повернуть нужно направо. Тогда неопределённость положения исчезает, и вы сможете продолжать путь. Вот эти сведения, уничтожившие неопределённость при выборе из двух возможностей, и принимаются равными одной единице информации. Заметьте, что на две возможности всегда приходится только одна неопределённость. Поэтому единица информации и получила название «бит» или «бинит» от двух английских слов, обозначающих двойную единицу – «бейнери дигит».
В повседневной жизни мы всё время стоим перед выбором из двух возможностей; налево или направо, вверх или вниз, вперёд или назад и так далее. И даже когда на первый взгляд, кажется, что есть не две, а больше возможностей выбора.
Например, вы идёте по широкому полю. Кажется, что перед вами три возможности в выборе направления в каждый момент времени; идти вперёд, повернуть налево, повернуть направо. В действительности мы всегда руководимся какими-то ориентирами – например, направлением дороги, одиноким деревом – и поэтому фактически всегда делаем выбор из двух возможностей – на ориентир или в сторону.
А что произойдёт, если человек лишится ориентиров, например, его застигнет снежный буран или неожиданно опустившийся туман? Оказывается, в этом случае он начинает кружить на одном месте. Происходит это потому, что наше тело имеет определённую асимметрию – правая половина несколько сильнее левой. Получается, что мы опять стоим перед выбором одного из двух «зол»: прямо или направо. И бессознательно, в силу анатомических особенностей своего организма, «выбираем» направо.
ДВУЗНАЧНЫЙ КОД НЕЙРОГРАММЫ
Информация обладает несколькими интересными свойствами. Например, она остаётся неизменной, несмотря на различные преобразования, которые претерпевает на своём пути несущее её сообщение. Информация, передаваемая по телефону, возникает в виде психического процесса – мысли говорящего. Затем это мысленное сообщение через ряд изменений физиологических состояний нервных клеток и речевых мускулов преобразуется в звуковые волны. Они действуют на мембрану микрофона – сообщение передаётся механическими колебаниями мембраны, которые, в свою очередь, вызывают электромагнитные волны в телефонных проводах. Затем процесс преобразования сообщений протекает обратным порядком и в результате доходит до слушателя опять в виде звуков. И слушатель понимает мысль говорящего: информация прошла без изменений через все промежуточные формы сообщений.
Это и является основным требованием, которому должны удовлетворять все средства связи – они должны передавать информацию, не искажая её. Ведь качество телефонной связи, скажем, оценивается не количеством электрической энергии, передаваемой по проводам, а точностью передачи звуков речи.
Это же требование неискажённой передачи информации накладывается природой и на «телеграф», существующий в нашем организме. И нервная система вполне удовлетворяет этому основному закону связи.
Теория информации утверждает, что любое сообщение, в какой бы форме оно ни поступило а каналы связи, можно закодировать условными сигналами. Процесс кодирования, который кажется нам сугубо техническим, а действительности очень распространён в живой природе. Мы всю жизнь занимаемся кодированием и декодированием информации. При этом простейший и наиболее удобный, так же как и в технике, – это код, который состоит из двух сигналов.
Например, слово «кибернетика» можно написать по-русски или иначе закодировать в буквах русского алфавита. Но то же слово «кибернетика» можно закодировать кодом Брайля для слепых, который состоит из разных комбинаций шести бугорков, наколотых булавками на бумаге. Это же слово можно, наконец, закодировать различными телеграфными кодами. Но самой «экономичной» (то есть позволяющей короче «записать» это слово и передать его по проводам) является азбука Морзе – код, состоящий из двух разновидностей сигналов: точки и тире.
То же самое происходит в нервной системе человека и животных. Все раздражители внешней среды – свет, звук, тепло, холод, запах и так далее кодируются органами чувств в нервные импульсы, распространяющиеся по живым каналам связи. «Неврологическая телеграмма», или «нейрограмма», как говорят физиологи, состоит из различных сочетаний импульсов и пауз. Стало быть, по нервам сообщение передаётся тоже по двузначному коду.
Заметим ещё, что в организме информация может передаваться не только прерывистыми импульсами нервной системы, но и непрерывно – по химическим каналам связи, например через кровь.
СКОЛЬКО ЧЕЛОВЕК СЛЫШИТ?
В нерве всегда имеются только две возможности: или импульс возникает, или не возникает. Третьей возможности нет. Так проявляется неврологический закон, который называется «всё или ничего».
Бесчисленным количеством опытов, выполненных в самых безупречных условиях, доказано, что если сила раздражения не достигла определённого порога, то импульс в нерве не возникнет. Если же она достигла необходимой величины, то возникает импульс, величина, которого не зависит от силы раздражения, а только от свойств самого нерва. Таким образом не может возникнуть половина или четверть импульса. Возникает всегда целый импульс. Каждый нервный импульс несёт с собой одну единицу информации, или один бинит.
Сколько же информации может максимально получить человек от органов зрения и слуха?
Известно, что в среднем по нервному волокну может пройти примерно 300 импульсов в секунду. От каждого глаза идёт в кору мозга один нерв, имеющий, примерно, миллион нервных волокон. Следовательно, один глазной нерв может передать 300 миллионов бинит информации в секунду. Два глаза передадут 600 миллионов бинит.
От каждого уха идёт нерв, имеющий 30 тысяч нервных волокон, а два ушных нерва имеют 60 тысяч волокон. Следовательно, по слуховым каналам может пройти 18 миллионов бинит информации в секунду.
Всего от глаз и ушей кора мозга человека может получить таким образом 618 миллионов бинит информации в секунду. Обратите внимание, что количество информации, передаваемое органами зрения, превосходит примерно в 30 раз то, которое поступает от органов слуха: зрение человека является доминирующим чувством для связи с внешним миром.
Заметьте ещё одно важное обстоятельство. Теория информации бесстрастно подсчитывает количество информации, не затрагивая смысла передаваемого сообщения и значения его для получателя. Но ведь для человека не безразличны разные сообщения, хотя, может быть, по теории информации количество бинит в них будет одинаково. Мы можем в 10 словах телеграммы сообщить о покупке книги и столько же слов потратить на сообщение о смерти близкого человека, но какая между ними разница! Грохот водопада вызовет больше нервных импульсов, а значит и бинит информации, чем тихое шипение ядовитой змеи, но как различны действия человека, вызываемые этими раздражителями! Из этого следует, что теория информации не исчерпывает полностью закономерности работы нервной системы.
ИМЕЕТ ЛИ НЕЙРОГРАММА ЦВЕТ И ЗАПАХ?
Интересным свойством информации является то, что она полностью воспринимается только соответствующим приёмником. Например, электромагнитные волны радиостанции, хотя и действуют непосредственно на нашу голову и мозг, но мы не слышим тех звуков, которые они несут с собой. Самое большее, что они могут сделать при непосредственном воздействии на наше тело, это нагреть его.
Звуки, которые несут волны радиостанций, может уловить лишь специальный прибор – радиоприёмник, предназначенный для приёма только этого вида сообщений. Полное количество информации можно получить от радиоприёмника только через громкоговоритель. Если же подключить к радиоприёмнику электрическую лампу или печку, то мы получим свет или тепло за счёт той энергии, которая несёт информацию, но не звуки. Не надо, впрочем, думать, что свет или тепло получаются за счёт самой информации, что на информации можно поджарить котлету или яичницу. Информация не является ни энергией, ни веществом. Когда мы растапливаем печку газетами, это ведь не значит, что мы получаем тепло от информации, напечатанной а газете.
Звуки, которые несут волны радиостанций, может уловить только громкоговоритель. Если же провода радиоприёмника приложить к языку, то мы ощутим вкус, но не звук, если к глазу – то возникнет ощущение света. А подсоединив к нему электрическую лампочку или печку, мы получим свет или тепло, но опять-таки не звук.
Если же провода от радиоприёмника приложить, например, к языку, то мы ощутим вкус, но не звук. Если приложить к глазу, то возникнет ощущение света, но не звука. Приложив их к внутреннему уху, можно услышать звуки, но очень неразборчивые. Выходит, что только громкоговоритель передаёт полную информацию, в остальных случаях она в значительной степени теряется.
Но ведь в электрическом токе радиоприёмника нет ни звука, ни света, ни тепла, ни вкуса. Информация, переносимая током радиоприёмника, декодируется громкоговорителем в звуки, лампой – в свет, печкой – в тепло, глазом – в ощущение света и языком – в ощущение вкуса. Но при этом она почти полностью теряется в лампе и печке, и до конца выявляется только в специально предназначенном для её приёма приборе – громкоговорителе. То же и в живой природе.
Кора мозга не имеет дола непосредственно с раздражителями среды – ни со светом, звуком, холодом или теплом, ни с химическими веществами, ни с механическими воздействиями. Все разнообразные и качественно различные раздражения, создающие в коре мозга картину внешней и внутренней среды, трансформируются органами чувств в единый нервный процесс – нервные импульсы. Кора мозга имеет дело только с нервными импульсами. Его нервные импульсы – в каком бы органе чувств они ни возникали – в глазе, ухе, языке, коже, мускулатуре, внутренних органах – одинаковы. Нет ни зелёных, ни красных, ни белых, ни черных нервных импульсов. Нет ни тёплых, ни холодных, ни сладких, ни горьких, ни мягких, ни твёрдых, ни лёгких, ни тяжёлых импульсов.
Это не означает, что все они абсолютно тождественны между собой. Они различаются по скорости распространения, по времени протекания и по некоторым другим признакам. Но это различие чисто количественное, а не качественное.
Ведь и буквы газетного текста не выражают никаких эмоций, так же как безличны любые сигналы, передающие информацию.
ЗАЧЕМ НУЖЕН «ЖИВОЙ» ТЕЛЕГРАФ?
Что же происходит с теми нервными импульсами, которые так обильно вливаются в кору головного мозга? Они перерабатываются в управляющие импульсы и по другим нервным каналам направляются в органы движения или внутренней секреции.
Процессы управления имеют огромное значение в жизни человека. Мы даже не подозреваем грандиозной сложности двигательной системы нашего тела, которая неизмеримо превосходит все известные нам машины. В нашем теле 639 мускулов, 206 костей скелета, а костные «рычаги», «блоки» и «шарниры» имеют 105 степеней свободы. Когда мы стоим, сидим, ходим, бегаем, плаваем, лазаем, пишем, рисуем, говорим – в нашем теле непрерывно перераспределяются напряжения во всех этих многочисленных мускулах. И хотя мы не знаем, какие именно мускулы нужно напрячь в данный момент и какие расслабить (вы, вероятно, даже не подозреваете о самом существовании в вашем теле большинства из этих мускулов), это не мешает нам уверенно управлять своим телом, ведь это управление происходит автоматически – организм как бы «саморегулируется».
Вот, например, вы идёте. Центральная нервная система по двигательным нервам, идущим от нервных центров к мускулатуре, посылает приказы о напряжении тех или иных мускулов. Это так называемая прямая связь. Но физиологи давно уже установили, что существует и обратная связь по чувствительным нервам, идущим от мускулов к нервным центрам. По ним идут сообщения о состоянии мускулатуры. Если перерезать чувствительные нервы мышцы, то движение будет возможно, но управление этим движением нарушается. Стоит, например, человеку с повреждёнными чувствительными нервами мускулатуры закрыть глаза, как он тут же падает, ведь в этом случае нервный центр не получает информации по обратным связям о положении ног ни от мускулатуры, ни от глаз и не может исправлять это положение. Это определённая болезнь, а само падение служит диагностическим признаком болезни.
Пользуясь информацией, поступающей по линии обратной связи, центральная нервная система «сравнивает» действительное состояние мускулатуры с тем, которое ей задано, и, если обнаружит расхождение, посылает приказы по прямой линии связи об исправлении положения. То есть всё происходит так же, как в кибернетических машинах, которые сами управляют собой. Изложенный выше принцип управления в физиологии называется рефлексом, а в кибернетике принципом обратной связи. Но мы видим, что они тождественны между собой. Принцип обратной связи является основным законом процессов управления.
Оказалось, что природа, создавая живые организмы, пришла к этому решению задачи много миллионов лет назад.
Кибернетика же позволяет глубже понять, как происходит управление внутри нашего организма, чего нельзя сделать, пользуясь только биологическими представлениями. Так принцип обратной связи требует, чтобы обязательной частью схемы управления был чувствительный элемент, следящий за состоянием исполнительного аппарата. И такие элементы действительно есть во всех частях тела и во всех органах. Они называются «рецепторами», или приёмниками и, очевидно, соответствуют датчикам в машинах. Рецепторы имеются в мышцах, коже, кровеносных сосудах и во всех органах.
Чтобы датчик в машине пришёл в действие, необходимо передать ему часть энергии от исполнительного органа. Но это может нарушить состояние самого аппарата управления. Чтобы этого не случилось, рецептор должен быть как можно более чувствительным. Это мы и наблюдаем в организме человека и понимаем теперь, что таково требование закона управления. Все физиологические линии связи (нервы) и все «живые» датчики (рецепторы) приводятся в действие ничтожными количествами энергии. При этом саму информацию они передают не за счёт энергии исполнительных органов, а за счёт своих собственных, «местных» запасов её.
Теория технического регулирования позволяет понять и другую важную особенность организма человека. Известно, что информацию контроля и управления нет смысла передавать сигналами, несущими много энергии. Поэтому и нервные импульсы, и технические сигналы связи заключают в себе мало энергии. Но чтобы привести в действие исполнительные аппараты, заставить их слушаться приказов, нужна большая сила, много энергии. Возникает необходимость усилить слабые сигналы приказов. В технике для этого применяются различные усилители, например, серво-моторы.
Аналогичные «усилители» обнаружены и в живом организме. Двигательный нерв оканчивается в мышце специальной пластинкой. Она-то и является «усилителем» приказов: все происходящие в ней процессы во много раз более мощны, чем в передающем приказание нерве. То же самое происходит при передаче мереных импульсов в мереные клетки. Здесь роль «усилителей» играют «синапсы» – особые окончание нервов.
Таким образом, кибернетика, утверждая тождество принципов управления в живом и неживом мире, позволяет глубже проникнуть в суть физиологических процессов. Физиология отвечает на вопрос, как устроен телеграф в организме. Кибернетика же может пойти дальше и ответить и на вопрос, почему он устроен так, а не иначе и как он должен быть устроен.
КАК ОРГАНИЗМ САМОРЕГУЛИРУЕТСЯ!
Физиологам до сих пор ещё не удалось детально распутать схему нервного управления в живом организме. Грандиозную сложность задачи физиолога можно помять, вспомнив, что мозг имеет 14 миллиардов нервных клеток, и в теле человека более 4 миллионов нервных волокон.
Сложность возрастает также из-за большого числа обратных связей. Обычно наши движения контролируются не только чувствительными нервами мышц, но и зрением (вспомните пример с человеком, которому закрывают глаза), слухом, осязанием, чувством равновесия и даже обонянием. У человека чувствительных нервов примерно в пять раз больше, чем двигательных. В результате этого возможность управления сохраняется и при нарушении некоторой части чувствительных нервов.
Когда мы ходим, бегаем, плаваем, наша мускулатура всё время должна приспосабливаться к новым условиям, следить за их изменением.
В других случаях задаётся какая-либо контрольная величина, которую надлежит поддерживать на определённом уровне, чтобы организм работал нормально. Так регулируется постоянство температуры, давления, физико-химического состава крови и т. п.
Допустим, на слизистую оболочку гортани попала крошка хлеба. Она раздражает рецепторы, заключённые в слизистой оболочке. В них возникает возбуждение – нервные импульсы по чувствительным нервам приносят об этом сообщение в нервный центр и вызывают изменение в его состоянии. Нервный центр в свою очередь посылает двигательные импульсы к дыхательной мускулатуре и вызывает резкие выдохи, кашель. Воздух продувает гортань, и, если крошка хлеба будет выброшена воздушной струёй, раздражение рецепторов прекратится, а значит прекратится и кашель.
Но постоянство внутренней среды организма может регулироваться не только при участии нервной системы.
Человеческому организму необходим кальций. Он нужен для построения костей, биения сердца, сокращения мускулатуры, нормального функционирования нервной системы. Недостаток кальция вызывает судороги, повышенную возбудимость мышц и нервов и иногда даже смерть. Избыток его начинает откладываться в лёгких, почках, коже, кровеносных сосудах и просто в тканях, которые делаются при этом жёсткими, и человек как бы каменеет. Следовательно, организм вынужден строго регулировать постоянное количество кальция в крови.
Больше 99 процентов всего кальция находится в костях. Для организма очень важно, чтобы в каждых 100 кубических сантиметрах крови постоянно находилось примерно 10 миллиграммов кальция. Кровь, протекая через кости, уносит легко растворимые соединения кальция. Таким образом, плазма крови непрерывно снабжается кальцием. Но физико-химический обмен может поддержать уровень кальция в крови не больше, чем на 70 процентов необходимого количества. Поступление остального количества кальция регулируется иным путём.
У человека на шее находится околощитовидная железа, которая тоже непрерывно омывается кровью. Как только содержание кальция в крови упадёт ниже нормы, так железа сейчас же выделяет специальный гормон. Он вместе с током крови поступает в кости и делает более податливыми труднорастворимые соединения кальция.
В этом случае количество кальция в крови регулируется тоже по принципу обратной связи. Но связь эта осуществляется не по нервам. Информацию передаёт особое химическое вещество – гормон. Поэтому и связь эта может быть названа не рефлекторной, а химической. Следовательно, химическое управление также подчиняется принципу обратной связи. Для чего же организму нужно непрерывно поддерживать постоянство внутренней среды? Оно является необходимым условием «свободной» жизни организма. Более конкретно можно сказать, что постоянство внутренней среды является необходимым условием нормальной психической деятельности.
МОЖНО ЛИ УПРАВЛЯТЬ ОРГАНИЗМОМ ИЗВНЕ!
Физиологи давно уже научились «управлять» мозгом посредством электричества. Прикладывая к различным участкам мозга человека электроды, можно вызвать у него ощущение света, звука, и даже вызвать воспоминание, или заставить двигаться мускулатуру. Когда такие опыты производят с животными, возникают большие затруднения. Ведь животные не могут рассказать нам о своих ощущениях. Поэтому о результатах раздражения мозга животных можно судить только по незначительным внешним реакциям. При этом учёные уже давно заметили, что в некоторых случаях у животных не возникало вообще никаких внешних реакций. Вряд ли можно предположить, что животные при этом ничего не чувствовали. Вероятно, у них возникали какие-то ощущения, но они никак не проявлялись. Появилась настоятельная потребность узнать, что же чувствует животное, когда оно внешне не изменяет своего поведения. Это удалось узнать, применив принцип обратной связи.
В мозг живой крысы через отверстие в черепе вставили электрод – серебряную проволоку, изолированную на всем протяжении за исключением кончика. Ранка быстро заросла, крыса скоро привыкла к вживлённому электроду и перестала обращать на него внимание. Тогда её поместили в камеру, пол которой покрыт металлической сеткой. К электроду на голове крысы прикрепили лёгкую проволоку, не мешающую ей свободно двигаться. Другой конец проволоки присоединили к выключателю – педали, вделанной в стенку камеры. Если теперь нажать на педаль, замкнётся электрическая цепь, и ток от батареи пойдёт через металлическую сетку, через тело крысы и через управление «центром удовольствия» по принципу обратной связи, вживлённый в мозг электрод. Крысу легко можно приучить сему нажимать педаль лапкой и замыкать ток.
Физиолог Джемс Олдс, выдрессировавший таким образом подопытную крысу, обнаружил интересные явления. Если кончик электрода расположен в определённом месте мозга крысы, то она, видимо, получает большое удовольствие от раздражения этой части мозга. (Этот участок головного мозга так и назвали «центром удовольствия»). Об этом можно судить по тому, что крыса, у которой электрод вживлён в «центр удовольствия», всё время стремится нажимать педаль. Голодная крыса, включённая в цепь, предпочитает даже не есть, хотя пища находится рядом с ней. Во время одного опыта голодная крыса нажимала педаль 24 часа подряд без передышки и произвела тысячи раздражений. «Насладившись» этим «электрическим удовольствием», она отправилась спать.
В чем же здесь проявляется принцип обратной связи? Электрический ток раздражает мозг и вызывает чувство удовольствия у крысы, которое в свою очередь заставляет крысу нажимать педаль и вновь замыкать ток. Прямая связь – подача электроэнергии в мозг, обратная – «вызов» электротока через «центр удовольствия».
Таким образом, принцип обратной связи позволяет учёным проникнуть с мерой и числом в неизученные ещё участки мозга.
Второй случай применения принципа обратной связи биологами, о котором я хотел рассказать, касается человека. Известно, что мозг человека непрерывно генерирует электрическую энергию в виде колебаний электрического тока. Частота его изменений равна 8-13 колебаниям в секунду. Напряжение биотоков в миллион раз меньше, чем напряжение токе в городской сети. Но измерять их очень легко – достаточно приложить электроды к голове человека и усилить посредством усилителей в миллион раз.
И вот оказалось, что если осветить глаза прерывистым светом, мелькающим, например, 11 раз в секунду, то в коре мозге возникает электрический ток, имеющий частоту также 11 колебаний в секунду. Изменяя частоту мельканий света от 4 до 60 раз а секунду, можно в определённых случаях вызвать в коре электрические процессы той же частоты.
Таким образом, с помощью внешнего воздействия можно управлять частотой электрических процессов мозга. Процесс управления, как и всегда, протекает по принципу обратной связи.
Кибернетика утверждает, что любой процесс управления можно поручить машине, если строго соблюсти законы управления. И в данном опыте Грей Уолтер доказал, что экспериментатора вообще можно исключить из схемы управления и всю работу поручить машине. Делается это так.
На затылок человека накладывают электроды, отводящие электрические токи мозга и передающие их на усилитель. Здесь усиленные в миллион раз, они воздействуют на электрогенератор, управляющий частотой мельканий света. В таком случае этот аппарат автоматически будет подбирать ту частоту мельканий света, которая наиболее легко воспроизводится мозгом. В коре мозга возникает и принудительно будет поддерживаться искусственно вызванный процесс.
Принцип обратной связи проявляется здесь так же, как и в предыдущем случае. Мелькающий свет вызывает изменение частоты электрических ритмов мозга, которое, воздействуя на частоту мельканий света, изменяет его так, чтобы она соответствовала частоте ритмов мозга и удерживалась при этой частоте. Прямая связь – мелькание света, обратная – частота электрических «вспышек» в мозге.
Для чего понадобились эти эксперименты?
Оказывается, если у подвергающегося такому опыту есть тенденция к эпилептическим припадкам, то при раздражении коры его мозга мелькающим светом припадок действительно может возникнуть. Новый метод используется врачами в случае ответственных решений, например, если надо определить, годен ли человек для испытания самолётов и т. п.
Тому же Уолтеру, применяя в биологии принципы кибернетики, удалось обнаружить ещё более интересные явления. Оказалось, что мелькающий белый свет вызывает не только ощущение белых вспышек, но и самые различные иллюзии. Пациент видит, например, цветные движущиеся пятна или волны, иногда чувствует, как по коже ползут мурашки, случается, что ощущает тепло или холод. При этом в определённой части коры мозга возникает своеобразный электрический процесс, соответствующий данной иллюзии. Если возникающий в результате этого процесса биоток подать на управляющий аппарат, то процесс будет поддержан и иллюзия усилится по принципу обратной связи. В этом случае аппарат представляет собою усилитель иллюзий. Продолжая дальше эти рассуждения, можно допустить, что таким способом удастся когда-нибудь создать и усилитель мыслей.
Но это дело будущего, а сейчас я хочу рассказать, как с помощью кибернетических законов удаётся управлять наркотическим сном животных и человека.
Обычно глубина наркотического сна животных во время операций поддерживается посредством наркотика – смоченную в нём ватку держат у носа животного. Приближая или удаляя ватный тампон, можно регулировать глубину сна. Для вас уже ясно, что и этот процесс управления идёт по принципу обратной связи. А раз это так, то его можно поручить машине, что и было сделано физиологом Бикфордом.
Физиологам известно, что при переходе от бодрствования ко сну электрические процессы в коре мозга резко изменяются. Это обстоятельство и было использовано для автоматического управления глубиной сна.
К голове животного прикладывается электрод. Токи коры мозга поступают на усилитель и затем на генератор. Генератор управляет капельницей наркотика. Как только животное просыпается, токи коры изменяются и, воздействуя на управляющую систему, увеличивают количество наркотика. Животное снова глубоко засыпает. Это вновь приводит к изменению токов коры и уменьшению количества наркотика. Таким образом, принцип обратной связи позволяет управлять глубиной сна. Этот способ применяется в клинике для поддержания «хирургического сна».
Приведённые примеры показывают, что в процесс управления могут быть вовлечены самые разнообразные явления. В единую, закономерно связанную цепь можно включить физические, физиологические и психические процессы. И, несмотря на всё разнообразие звеньев цепи, принцип, объединяющий её в одно целое, остаётся один – это принцип обратной связи.