Текст книги "Знакомьтесь, информационные технологии"

Прежде всего, попытаемся определить объем информации, которую должно перерабатывать сознание в процессе запоминания и узнавания. Здесь уместно сравнить мозг с современными вычислительными машинами. Наиболее сложные алгоритмы, обрабатывающие значительный объем входной информации (порядка миллиона бит), требуются для решения задач распознавания образа. Современные цифровые вычислительные машины (ЦВМ), производящие миллион операций в секунду, распознают образ в течение секунд, т. е. намного дольше, чем мозг. При том, что в центральной нервной системе сигналы распространяются на несколько порядков медленнее, чем в ЭВМ[135]135
  Время прохождения сигнала через и вдоль одного нейрона в несколько тысяч раз больше, чем время задержки сигнала на одном вентиле – базисном элементе процессора. Сегодня при частоте работы процессора 2 ГГц задержка на одном вентеле составляет менее 10–10 с.


[Закрыть].

В мозгу при алгоритмической обработке информации распознавание образа за столь короткое время невозможно. Ясно, что у человека обработка информации реализуется не алгоритмически, т. е. принципиально иным, по сравнению с ЦВМ, способом, ибо при распознавании образа, вне зависимости от способа вычислений, требуется обработка одинакового объема информации.

Очевидно, есть механизм, позволяющий обрабатывать информацию, объем которой измеряется мегабитами при работе лишь с одним объектом. Если необходимо узнать данного человека, требуется сравнить информацию об его образе с зафиксированной в памяти информацией о многих людях, и объемы обрабатываемой информации при этом возрастут пропорционально числу хранимых в памяти образов.

В цифровых устройствах реализуется бинарная форма электрического сигнала: нуль задается одним значением электрического напряжения, а единица – другим. Один импульс отображает один бит информации. Для передачи и переработки сообщения используется последовательная череда импульсов или параллельно (по нескольким проводникам) передаются сразу несколько импульсов, как правило, 10—200. Форма импульса может изменяться в узком диапазоне, позволяющем идентифицировать сигнал. Вариации параметров импульса, не выходящие за допустимые диапазоны, информации не несут.

В аналоговой технике форма электрического сигнала (как правило, это изменение напряжения) имеет определяющее значение для содержания информации. Здесь отсутствует необходимость в значительном количестве импульсов (длительность которых в ЦВМ примерно 10^-12 с, что на несколько порядков короче продолжительности сигнала, используемого в аналоговых вычислительных машинах – АВМ). Сложная форма одного сигнала позволяет передавать в нем многобитовую информацию. Для работы с электрическим аналоговым сигналом необходимы элементы, обеспечивающие:

• излучение электрического немодулированного сигнала;

• модуляцию сигнала (насыщение информацией);

• передачу модулированного сигнала без потерь и изменений формы сигнала;

• прием и установление соответствия сигнала исходному объекту.

Элементы, позволяющие выполнять данные функции при представлении информации в электрической аналоговой форме, в живых организмах пока не обнаружены, и возникают сомнения в том, что упомянутый способ представления информации используется в каких-либо биологических объектах.

Для работы с импульсными сигналами требуются существенно более простые элементы. Импульсная электрическая бинарная форма представления информации используется, в частности, в зрительной системе животных. Информация последовательно проходит по цепочке: исходный объект – рецепторы сетчатки глаза – зрительный нерв – ЦНС (структуры зрительного анализатора). Первый вид информации (оптическая, электрохимическая) преобразуется в сетчатке глаза, состоящей у человека из порядка 10 ^х рецепторных элементов (колбочек и палочек). Каждый из нейронных элементов сетчатки реагирует на одну «деталь» исходного объекта, который как бы расчленяется на отдельные части. Колбочки и палочки в сочетании с сопряженными с ними чувствительными нейронами реализуют бинарную логику: выдают или не выдают электрический импульс в зависимости от конкретных характеристик объекта.

Зрительный нерв, обеспечивающий связь сетчатки с ЦНС, можно представить как линию связи, по которой передается двоичное многоразрядное «слово». В данном случае имеет место параллельная передача информационного сообщения, представленного электрическими сигналами в импульсной бинарной форме. Реально при обработке визуальной информации существует параллельно-последовательная передача: как правило, глаз последовательно фиксирует несколько локальных фрагментов объекта, которые последовательно обрабатываются сетчаткой глаза и передаются по зрительному нерву. Полный образ представлен в виде набора из нескольких «слов», имеющих длину порядка 10⁸ двоичных разрядов каждый.

Другой вид электрической бинарной формы представления информации обеспечивает связь между нейронами. Возбуждение и торможение нейрона происходит при появлении «единичных» электрических сигналов в дендритах данного нейрона. Это напоминает работу триггера с определенной «входной логикой», позволяющей изменять внутреннее состояние при различных наборах входных электрических сигналов.

Для нейрона «входными» сигналами являются электрические импульсы, пришедшие от других нейронов. Вариации «входной логики» работы нейрона реализуются за счет различной геометрии дендритов, которая существенно влияет на временные и электрические характеристики сигналов. Однако триггер хранит только один бит информации. В нейроне не обнаружен механизм, позволяющий хранить многобитовую информацию в виде набора бинарных импульсов. Можно считать, что импульсная бинарная электрическая форма представления информации используется в ЦНС человека для передачи отдельных многобитовых сообщений или для управления состоянием нейрона, но не для долговременного хранения информации.

В макромолекулах белков можно записать практически неограниченный объем информации[136]136
  Группа исследователей во главе с Эхуд Шапиро из института им. Вейсмана (Израиль) сообщила о проведении опытов по созданию ДНК-компьютера, состоящего из 1 трлн. таких молекул ДНК. По оценкам, в кубическом сантиметре ДНК может находиться больше информации, чем на триллионе CD. При этом ДНК-компьютеры потребляют очень мало энергии.


[Закрыть], что определяется разнообразием геометрических форм молекул, образующихся в результате синтеза. Информация, представленная в молекулярной форме, не требует энергии для хранения. Передача информации и процесс запоминания потенциально могут реализовываться химическим путем за счет межклеточного и внутриклеточного перемещения и взаимодействия молекул. Совокупность этих процессов имеет длительность, существенно превосходящую время запоминания и узнавания человеком какого-либо объекта. Поэтому, если хранение информации в виде сложных макромолекул представляется возможным, то передача и считывание информации внутри ЦНС только в молекулярной форме, по-видимому, маловероятны.

В природе известна механическая форма представления информации, использующая высокочастотные механические (ультразвуковые) колебания. Многие живые организмы (летучие мыши, китообразные и др.) излучают вовне ультразвуковые колебания, которые, отражаясь от препятствий, модулируются. Принятые отраженные сигналы используются для распознавания объекта. Скорость перемещения и затухания ультразвуковых волн существенно зависит от свойств среды – чем выше ее плотность, тем больше скорость распространения ультразвука и меньше затухание. Внутри нервной ткани может быть реализована механическая форма представления информации, ибо подавляющее большинство белковых молекул под действием электрического потенциала ведут себя как диполи: они колеблются, создавая ультразвуковые волны; в нейронах, как и в других клетках, существуют быстровращающиеся молекулы и надмолекулярные структуры. Используя различные формы представления информации, потенциально реализуемые в ЦНС, построим модель обработки информации в мозге. Процесс обработки информации в ЦНС трудно описать в терминах и понятиях современной информатики из-за неалгоритмичности организации обработки и неразрывности процессов хранения и преобразования информации, что характерно для ЦНС и нетипично для ЦВМ.

Запоминание — бессознательный процесс, позволяющий фиксировать в нейронной сети информацию в виде отдельных образов, которые, кстати, могут быть не связаны между собой. Информация поступает от органов чувств как отображение реальных объектов.

При запоминании информации последовательность ее движения можно представить следующим образом: орган чувств – предварительная (кратковременная) память – выбор нейрона из запоминающей среды для долговременного хранения информации – передача из кратковременной памяти к выбранному нейрону – собственно запись. Если необходимо вспомнить (воспроизвести) какую-либо информацию, после чего из нейронной сети выбирается нейрон, содержащий затребованные данные, а затем считывается информация из нейрона и необходимые данные передаются и принимаются в соответствующую часть ЦНС.

Считается, что в предлагаемой модели непосредственная запись информации происходит в результате химических реакций, приводящих к синтезу белковых молекул. На одну молекулу можно записать информацию, объем которой измеряется миллионами бит. Будем называть вращающуюся в нейроне молекулу с записанной информацией «белком-хранителем информации» (БХИ). В нейроне имеется также «белок – источник высокочастотных колебаний» (БИК), молекула которого колеблется под влиянием внутринейронного электромагнитного поля. Эти колебания «облучают» вращающийся БХИ, и при их отражении происходит модуляция колебаний, зависящая от топологии БХИ. Информация переходит в форму высокочастотных колебаний, которые выводятся за пределы нейрона и поступают в «магистраль передачи» информации. В результате реализуется переход от химической формы к ультразвуковой, от хранения к передаче информации. На рис. ПЗ схематично показано считывание информации из нейрона. Мы использовали следующие обозначения:

1. Сома нейрона.

2. Аксон.

3. Вибрирующий БИК.

4. Вращающийся БХИ.

5. Глиальные клетки.

6. Упорядоченные БТИ.

7. Ультразвуковые волны, излучаемые БИК.

8. Модулированные колебания, отраженные от БХИ и поступающие в тракт передачи информации.

Рис. ПЗ. Считывание информации из нейрона

Остается открытым вопрос о том, какая часть нейронов ЦНС реализует функцию хранения информации: в каких популяциях нейронов размещены молекулы – хранители информации. Будем использовать понятие «запоминающая среда», указывающее на совокупность нейронов (вне зависимости от их локализации в мозге), содержащих БХИ.

В процессе запоминания или распознавания образа участвуют одновременно многие нейроны, «работающие» параллельно друг с другом. Информация обычно не попадает сразу от одного источника-нейрона во все «работающие» нейроны, а проходит через сотни и тысячи нейронов по тракту до приемника информации. Рассмотрим временные характеристики передачи информационных сигналов внутри и между нейронами. Известны следующие временные параметры, характеризующие распространение электрического потенциала в ЦНС:

• скорость распространения импульса вдоль нейрона (аксона) – 30 м/с;

• время перехода потенциала через электрический синапс – 10^-5 с;

• время перехода потенциала через химический синапс – 10^-3 с.

Если принять размер нейрона (с учетом аксона) равным 10^-4 м, то время распространения электрического потенциала (одного бинарного импульса) вдоль нейрона составит 5х10^-5 с. При электрическом синапсе время задержки сигнала на одном нейроне (переход через один синапс и движение вдоль нейрона) составит 1,5х10^-5 с. При химическом синапсе время задержки будет определяться практически только переходом через синапс[137]137
  Время задержки сигнала на одном электронном вентиле имеет порядок 10^–11 – 10^-9 с.


[Закрыть].

Процесс распознавания образа составляет около 10 ^-1 с. За это время один электрический сигнал может пройти максимум через 6 000—7 000 нейронов. При узнавании существует двойное движение информации: от органов чувств к нейрону и из запоминающей среды к другим участкам мозга. Поэтому даже 7 000 нейронов не представляется чрезмерным количеством.

Следует отметить, что при передаче «пакета» бинарных сигналов между импульсами должны существовать временные промежутки, равные по продолжительности самому импульсу. При продолжительности импульса порядка 10^-3 с очевидно, что длительная последовательность импульсов, необходимая для передачи многобитовой информации об объекте, не может быть передана за время 10^-1 с через многие нейроны. Следовательно, электрический способ представления информации, так же как и химический, не может обеспечить передачу больших объемов информации. Однако ультразвуковой (механический) способ при передаче информации между нейронами вполне приемлем.

Для обеспечения передачи очередной порции информации между приемником и источником должна создаваться (а по окончании данного «сеанса связи» разрушаться) сугубо индивидуальная магистраль, связывающая два конкретных нейрона. Процесс создания очередной магистрали не может превышать время распознавания образа. В мозгу в любой момент могут существовать несколько независимых магистралей. Необходим механизм, позволяющий создавать тракт передачи информации и разрушать его сразу после того, как потребность в данном канале отпадет, т. е. должна реализовываться бинарная логика формирования магистрали. Такую логику реализует нейрон при электрической форме представления информации.

За счет организации «входной логики» последовательной активации нейронов образуется цепочка возбужденных нейронов, на поверхности которых появляется измененный электрический потенциал. Этот потенциал создает в окружающих данный нейрон глиальных клетках электромагнитное поле, которое приводит к тому, что отдельные молекулы белков выстраиваются определенным образом ориентированно по отношению к поверхности нейрона. Назовем молекулы, находящиеся в глии и способные к пространственной ориентации, «белки – трансляторы информации» (БТИ). Цепочка упорядоченных БТИ образует относительно жесткий тракт, по которому могут передаваться механические колебания. При окончании возбуждения нейрона БТИ возвращаются в неупорядоченное (хаотическое) состояние внутри глиальной клетки, и тракт передачи информации разрушается, ибо колебания затухают в вязкой цитоплазме глиальных клеток.

Тракт создается со скоростью распространения электрических импульсов между и вдоль нейронов. Информация передается со скоростью распространения ультразвука вдоль магистрали. Если одновременно существуют несколько магистралей так, что ни в одной паре из них нет общих активированных нейронов, то ультразвуковые колебания будут распространяться по этим магистралям без взаимодействия друг с другом.

Существуют ЦВМ, информационные связи внутри которых реализуются только через магистраль, представляющую собой набор проводников с соответствующими усилителями, разъемами и т. д. Можно выделить два типа линий связи внутри магистрали:

• линии передачи управляющих сигналов;

• линии передачи данных.

В любом цикле приемопередачи логика работы магистрали задается значениями набора управляющих сигналов, которые определяют: источник и приемник (приемники) информации, объем информации, передаваемой в данном цикле, приоритеты и т. д. По линиям передачи данных передается собственно информация. Управляющие сигналы обеспечивают возбуждение отдельных элементов ЦВМ. При этом реализуется обмен информацией.

В предлагаемой модели роль управляющих линий магистрали исполняют нейроны. Однако их логические функции много шире: они реализуют логику работы нейронной сети (в ЦВМ эти функции совместно выполняют арбитр и процессор). В понятие «логика работы» входит выбор последовательности нейронов, обеспечивающих связь между источником и приемником информации. Однако это не просто создание «линий связи» между двумя нейронами, а важнейший элемент неалгоритмической системы обработки информации. Можно указать особенности этой системы:

• накопление значительного объема информации;

• выработка и запоминание правил работы с информацией;

• размещение информации в определенном порядке;

• система выборки необходимой в данный момент информации;

• наличие квалифицирующих характеристик для всех автономных квантов информации.

Реализация всего комплекса обеспечивает переход от данных к знаниям. Коренное отличие организации нейронной сети от ЦВМ заключается в многозначности функций, выполняемых нейронами, и в качественно ином уровне решаемых ЦНС задач за счет значительно большего числа одновременно включенных в работу многофункциональных элементов (нейронов). На рис. П4 показана структура описываемой магистрали.

Рис. П4. Магистраль передачи информации

На рисунке обозначены:

1. Нейрон.

2. Управляющий сигнал.

3. Передача сигнала из нейрона в тракт передачи информации.

4. Тракт передачи информации (упорядоченные БТИ).

С точки зрения информатики можно указать три вида памяти, существующие в ЦНС человека: кратковременную, долговременную и постоянную[138]138
  В современном компьютере также можно выделить кратковременную, долговременную и постоянную память (см. разд. «Микропроцессоры – невидимые труженики» гл. 2).


[Закрыть]. В постоянной памяти (ПП) закодированы безусловные рефлексы. Их человек генетически наследует, сохраняет всю жизнь и передает потомкам. Обработка информации, записанной в ПП, ведется на уровне подсознания. Долговременная память (ДП) обеспечивает запоминание человеком информации, которой он может воспользоваться на протяжении всей своей жизни. Эта память реализована в нейроне на вращающихся молекулах БХИ.

Существует несколько типов кратковременной памяти. Рассмотрим сначала входную память (ВП), которая является буфером (временным хранилищем информации) между органом чувств и запоминающей средой. Все типы кратковременной памяти могут базироваться на использовании короткоживущих пептидов – молекулярных соединений, время жизни которых составляет буквально несколько секунд. Будем называть каждое из этих молекулярных соединений «белком кратковременного хранения информации» (БКХИ). Естественно, БКХИ вращается с той же скоростью, что и молекулы запоминающей среды, и также облучается ультразвуковыми колебаниями.

Для ВП такая организация работы требуется, чтобы реализовать последовательную трансляцию через нее всей информации, воспринимаемой органом чувств. Задержка на ВП может привести к информационному отсечению нейронной сети от органов чувств. Поэтому необходим элемент, в который будет последовательно заноситься очередная порция информации. Время синтеза и разрушения БКХИ и определяет тот поток информации, который может восприниматься ЦНС. Информационный объем БКХИ меньше объема БХИ, что следует из восприятия образа в виде нескольких элементов. Так, при рассматривании картины человек последовательно фиксирует взгляд на нескольких точках этой картины. Восстановление образа происходит целиком, т. е. человек вспоминает картину целиком, что указывает на хранение в ДП целостного образа.

Функция буфера для ВП заключается также в преобразовании формы представления информации из выходной (для органа чувств) в ультразвуковую (для передачи между нейронами). Так, при обработке зрительного образа БКХИ синтезируется под воздействием бинарных импульсных электрических сигналов, пришедших по зрительному нерву к входной памяти. Затем БКХИ облучается ультразвуковыми колебаниями, которые после модуляции выводятся из нейрона в тракт передачи информации и передаются в нейроны запоминающей среды.

Вместе с информацией от органов чувств (с образом объекта) в ВП поступает сообщение, выработанное сознанием и квалифицирующее воспринимаемый объект. Это сообщение также записывается на БКХИ. В результате в ВП формируются образная информация и квалифицирующее ее сообщение (набор признаков). Будем называть эти сообщения тегами. Теги позволяют перейти от данных к знаниям. Под знаниями будем понимать особый вид информации, представляющий собой симбиоз образов и тегов, а также алгоритмов и правил работы с данными[139]139
  Сегодня в системах обработки информации знания также воспринимаются как данные, снабженные (дополненные) специальными указателями. Об этом см. разд. «Компьютер вместо пишущей машинки и калькулятора» гл. 3.


[Закрыть].

Назовем ассоциированными нейронами множество нейронов, имеющих двухстороннюю (диадную) информационную связь с данным нейроном. При этом исходный нейрон является «источником» управляющего сигнала, единого для всей ассоциации. На рис. П5 показана структура информационных связей нейронов. Цифрами обозначены:

Рис. П5. Образование тракта передачи информации в нейронной сети

1. Нейрон.

2. Синаптический переход, не используемый в данном «сеансе связи».

3. Ассоциированные нейроны.

4. Нейрон – следующее «звено» цепочки ассоциаций.

В связанных между собой нейронах можно выделить два вида информационных связей: прямые, обеспечивающие возбуждение и торможение ассоциированных нейронов при изменении состояния данного нейрона, а также обратные связи, сообщающие данному нейрону реакцию его ассоциированных нейронов на попытку их активации.

Возбуждение (активация) нейронов предположительно проходит в две фазы. Первая фаза (первичная активация всех ассоциированных нейронов) начинается с появления сигнала в аксоне данной клетки. Реакция на первую фазу возбуждения – обратная связь от всех ассоциированных нейронов. После чего в данном нейроне проводится анализ информации, пришедшей в виде сигналов по обратным связям от всех ассоциированных нейронов, находящихся в первой фазе возбуждения.

Вторая фаза активации заключается в переходе нейрона в устойчивое возбужденное состояние. Эта фаза возможна только после первой фазы. Однако не все нейроны переходят из первой фазы активации во вторую.

Формирование магистрали (тракта) передачи информации из ВП в запоминающую среду начинается одновременно с синтезом БКХИ. Магистраль представляет собой неразрывную цепочку связанных между собой нейронов. Формирование реализуется следующим образом: на последнем звене цепочки происходит активация ассоциированных нейронов, в которые из данного нейрона поступает заданный (установочный) признак. Те из нейронов, в которых записаны теги, совпадающие с заданным признаком, остаются активированными, т. е. переходят во вторую фазу активации, и цепочка «увеличивается» еще на одно звено: происходит ассоциативное движение к приемнику информации. По-видимому, теги могут изменяться под действием сознания. При этом возможны новые ассоциации, новые пути движения информации и, следовательно, новые нетрадиционные суждения.

Как происходит запоминание образа? После прохождения информации через орган чувств она попадает во входную память (ВП), и ее форма преобразуется. Одновременно в ВП из нейронной сети поступают теги. Так, при встрече с новым лицом его образу присваиваются определенные признаки человека, коллеги и т. д. Пройдя по всей цепочке ассоциаций, «управляющий» сигнал «определяет», что человек неизвестен, т. е. не будет получен сигнал ни от одного из нейронов о наличии данного образа в ДП. Если необходимо, происходит запоминание этого образа в одном из «свободных» нейронов (популяции нейронов) вслед за «последним» звеном цепочки ассоциаций. Аналогично происходит запоминание информации и от других органов чувств. При фиксации очередного образа объем запоминающей среды нейронной сети увеличивается еще на один нейрон (популяцию нейронов).

В предлагаемой модели процесс распознавания образа начинается с поступления информации в ВП, синтеза БКХИ и формирования тракта передачи информации. При достижении оконечных нейронов цепочки происходит сравнение поступивших данных с информацией, уже имеющейся в этой части запоминающей среды. Далее сравниваются непосредственно образы объектов, записанных на БХИ, ибо в процессе построения тракта передачи информации ведется селекция нейронов по тегам, которые вблизи окончания цепочки ассоциированных нейронов становится одинаковыми (например, остались только мужчины, коллеги и т. д.). Поэтому для вывода о том, знаком ли данный объект, необходимо сравнивать непосредственно данные, описывающие образ. Анализ (сравнение) данных проводится сразу же во всех оконечных нейронах. В случае совпадения поступающей из ВП информации с данными, содержащимися в нейроне, этот нейрон генерирует бинарный сигнал. Тем самым реализуется отождествление образа, созданного органом чувств, с информацией, хранимой в нейронной сети.

Процесс узнавания требует больших затрат энергии, чем процесс запоминания, ибо происходит активная работа значительно большего числа нейронов: магистрали и множество нейронов оконечных каскадов, количество которых определяется числом ассоциированных нейронов нескольких оконечных каскадов.

Можно объяснить и забывание информации. При неразрушенном БХИ (при отсутствии нарушений элементов ЦНС, необходимых для хранения или считывания информации) в запоминающей среде сохраняется информация. Для использования этой информации необходимо совместное выполнение двух условий:

• наличие и работоспособное состояние элементов хранения и считывания информации (неразрушение и вращение БХИ, наличие и колебание В И К);

• работоспособность тракта передачи информации (наличие глиальных клеток вокруг каждого из нейронов цепочки ассоциаций).

В нормальных условиях тракт передачи информации может и не создаться даже при активации цепочки ассоциированных нейронов, что объясняется подвижностью глии.

Если возле нейрона количество глиальных клеток будет достаточным для поддержания жизнеобеспечения нейрона и недостаточным для организации тракта (слишком большие разрывы между глиальными клетками блокируют передачу ультразвуковых сигналов), то затребованная информация не будет поступать в «приемник»: вспомнить (воспроизвести) требуемую информацию человек не сможет. Можно предположить, что глиальные клетки или какая-то их часть мигрируют к активированным нейронам, на поверхности которых имеется измененный по сравнению с состоянием покоя электрический потенциал. Те же из нейронов, которые достаточно давно не активировались, будут окружены малым числом эмигрировавших глиальных клеток. При попытке воспользоваться информацией, записанной в запоминающей среде, будет возбуждена вся цепочка, в том числе нейрон с необходимыми данными, но отсутствие тракта, состоящего из упорядоченных БТИ, не позволит передать информацию.

Известно, что длительные (измеряемые минутами и более) усилия при попытке вспомнить необходимые данные зачастую приводят к успеху. Объяснения могут заключаться в том, что человек сознательно поддерживает все это время нейроны, входящие в цепочку ассоциаций, в возбужденном состоянии, тем самым обеспечивая перемещение глиальных клеток к ним и заполнение лакун в тракте передачи информации. Возможно, воздействие гипноза (экстрасенсов) на головной мозг приводит к увеличению подвижности глии или повышению потенциала активированных нейронов, в результате уменьшается время создания тракта передачи информации.