Текст книги "Человеческий риск (системные основы управления)"

Свойства человека характеризуются неопределенностью их проявления в различных жизненных условиях. Эта неопределенность обусловлена психофизиологическими возможностями человека в процессе жизнедеятельности и вносит некоторую неоднозначность (неопределенность) в возможные исходы его состояния или действия. Основными психическими процессами, участвующими в приеме информации, являются ощущения, восприятие, представление и мышление.

Прием информации – это процесс формирования перцептивного (чувственного) образа, представляющего субъективное отражение в сознании человека свойств управляемого процесса. Физиологической основой формирования перцептивного образа является работа анализаторов, среди которых первостепенное значение для деятельности человека имеют зрительный, слуховой и тактильный (осязательный) анализаторы. Предельные их возможности характеризуются абсолютным и дифференциальным порогами. Для определения характеристик сигнала чаще используется оперативный порог различения, при котором достигается наилучшее сочетание точности и скорости различения.

При оценке человеческого риска, обусловленного приемом информации в виде входных сигналов, важными являются предельные возможности анализаторов. Физические сигналы (световые, звуковые, тепловые и др.) воспринимаются рецепторами, а затем преобразуются в нервные импульсы (электрохимические). Рецепторы, проводящие пути и головной мозг состоят из большого числа нервных клеток – нейронов, соединенных между собой множеством связей. Средняя скорость импульсов в нервной системе составляет от 5 до 125 м/с.

Рецепторы анализаторов представляют собой нелинейную систему, осуществляющую прием внешних физических сигналов и их ограничение по максимальному и минимальному значениям. Рецепторы кодируют различные виды сигналов в единый универсальный частотно-импульсный код, характерный для нервной системы человека. Число нервных импульсов в единицу времени пропорционально интенсивности сигнала, воспринимаемого рецепторами. Связь рецепторов с центральной нервной системой является двусторонней, т. е. сигналы распространяются не только от рецепторов к нервной системе, но и из нее поступают к рецепторам. Сигналы обратной связи регулируют и контролируют работу рецепторов. Анализаторы восприятия физических сигналов характеризуются нижним и верхним абсолютными порогами чувствительности. Нижний порог – это минимальная величина раздражения, ниже которого она человеком не воспринимается, верхний порог – максимально допустимая величина раздражения.

Анализаторы обладают свойством адаптивности, при этом происходит изменение чувствительности. Свойство адаптивности играет защитную роль при резких колебаниях интенсивности сигналов на входе рецепторов.

Анализаторы человека взаимодействуют друг с другом, что позволяет получать более полную информацию о наблюдаемых процессах и явлениях. Так, например, взаимодействие зрения и вестибулярного аппарата обеспечивает создание координат поля зрения и стабилизации позы. Наибольшее применение при управлении находят зрительный, отчасти слуховой и акселерационный анализаторы. Человек через зрительный анализатор воспринимает около 90 % всей информации. Диапазон чувствительности зрительного анализатора по яркости составляет от 10^–6 до 10⁶ кд/м², абсолютный порог восприятия точечного светового сигнала составляет одну минуту, дифференциальный порог – 1 % исходной интенсивности сигнала.

Поскольку человек может одновременно воспринимать информацию несколькими анализаторами, то можно было бы рассматривать его как многоканальную информационную систему. Однако ответные реакции в основном формируются в центральной нервной системе, поэтому многоканальность передачи информации через человека, как правило, нарушается. При управлении некоторые ответные реакции формируются без активного участия сознания. В этом случае человек может практически одновременно реагировать на сигналы, обработка которых требует активного сосредоточения внимания, и на сигналы, реакция на которые автоматизирована. При этом человек представляет аналог многоканальной системы передачи информации.

2.2. Память: прием и накопление информации в центральной нервной системе

Большая роль в формировании информационно-энергетических потоков, являющихся результатом межнейронных взаимоотношений, возникающих при наличии мотивации цели жизнедеятельности, принадлежит памяти. Остановимся на физиологии процесса образования памяти и причинах, обусловливающих человеческий риск, включая погрешности неадекватного отображения мира.

Рассматривая межнейронные взаимоотношения, которые в основном реализуются за счет синаптических связей, будем иметь в виду различные формы этих взаимоотношений:

– морфолого-топологические;

– физико-энергетические;

– химико-вещественные;

– информационные.

Эти формы не самостоятельны, они представляют собой разные формы межнейронных отношений. По этой причине их следует рассматривать во взаимодействии. Все это можно было объединить в информационно-энергетические процессы, но тогда получим глобальную модель без детализации процессов.

Неисчислимое многообразие форм поведения человека в большей мере относится к топологическому аспекту взаимоотношений нервных клеток, причем численная оценка количества комбинаций их топологических отношений дает астрономические цифры. Поэтому изучение узора молекулярных или внутриклеточных процессов в мозге без детального учета пространственно-временного (топологического) расположения соответствующих клеток оказывается «немым» с точки зрения информационного содержания. То же самое относится и к физико-энергетическим и электрофизиологическим аспектам. На рис. 2.16 представлена гипотетическая модель внутриклеточной регуляции образования синаптической связи как биологической основы формирования памяти [3].

Рис. 2.16

На данном рисунке обозначены следующие каналы:

I – информационные отношения организма и среды;

II – информационные взаимоотношения органов и организма;

III – информационные отношения нервных клеток;

Блок 1 – синтез РНК; экспрессия гена;

Блок 2 – энзимные, рецепторные, мембранные белки;

R₁ – расход информации из памяти, т. е. вызов из памяти нужной информации.

Физические и биохимические изменения, обеспечивающие эффективность синаптической передачи, осуществляются на основе энергетических или обменных компонентов синаптической активации в процессе обучения (жизненного цикла). Эта модель основывается на системных свойствах мозга, на топологии межнейронных связей. Главное достоинство этой модели обосновывается наличием трех главных форм памяти:

– кратковременной памяти; ее длительность измеряется секундами, она возникает в процессе переработки информации, при обучении;

– долговременной памяти; формируется из кратковременной и сохраняется от нескольких дней до конца жизни;

– промежуточной памяти, длящейся до завершения образования (консолидации) долговременной памяти.

Этим трем главным формам памяти соответствуют три главных формы регуляции синаптической связи.

В основе кратковременной памяти лежат изменения (перестройки) в пре– и постсинаптических структурах. Такие изменения вызываются либо изменениями ионного баланса, либо выделяющимися при этом нейромедиаторами. При этом происходят кратковременные изменения функций синапсов и каких-либо компонентов мембраны, которые основываются, главным образом, на конформационных перестройках мембранных блоков.

Биологическая основа промежуточной памяти характеризуется умеренными скоростями кинетики и связана с изменениями функциональных характеристик постсинаптических мембран.

Долговременная память характеризуется изменениями активности генов, т. е. количественным и качественным изменением ДНК-зависимого синтеза РНК, что влечет за собой соответствующие изменения синтеза белка. Благодаря встраиванию вновь синтезированных макромолекул в мембрану и включению их в обмен веществ длительность изменений функций синапса оказывается достаточной для развития долговременной памяти. Эта модель противостоит представлению об образовании «молекул памяти» на молекулярном уровне и основывается на системных свойствах мозга, на топологии межнейронных связей.

Теперь кратко остановимся непосредственно на блоке «память». Схема цепей обменных процессов в нервной клетке представлена на рис. 2.17. Обменные процессы развиваются под влиянием связывания дофамина со своими рецепторами и ведут к двухфазному повышению образования гликопротеидов в блоке 1. Два ряда процессов, встречаясь, приводят к образованию гликопротеида. Этот белок, достигая клеточной мембраны, меняет ее состав и свойства. При этом в памяти человека возникают следующие модели окружающего мира:

– сознание – деятельность, результатом которой являются «реальные» модели;

– подсознание – промежуточное состояние, когда модели нечеткие, размытые;

– бессознательная деятельность, в процессе которой нет реальных моделей.

Рис. 2.17

Для анализа процесса здесь выделено главное – фактор времени, так как перестройка (топологическая) функциональных структур при развитии долговременной памяти происходит за счет образования гликопротеидов.

Кратковременная и долговременная память играют важную роль при формировании моделей окружающего мира в блоках памяти, формируя достоверные знания и знания с погрешностями, которые являются источниками риска человека.

Быстроизменяющиеся модели фактического или реального мира по-разному фиксируются у разных людей. В связи с этим можно говорить о разной величине риска, ибо более точное (т. е. более адекватное) отображение мира позволяет при малых затратах энергетики получить правильное решение и достичь цель. Пороговые величины кратковременной памяти ограничивают возможности по скорости изменения информации, поступающей от внешнего мира. Антипод кратковременной памяти – долговременная память – имеет порог по объему памяти J_кр. Выход за [x^н_кр, x^в_кр] приводит к размытым моделям среды жизнедеятельности, что приводит к ложным решениям и неправильным поступкам и обусловливает критические состояния человека, т. е. его риск. Этот риск может быть связан как с потерей функциональных возможностей организма человека, так и с противодействием среды жизнедеятельности.

Таким образом, для регулирования величины риска человек обязан изучить области, среду, затем оценить свои возможности и необходимость привлечения дополнительных средств, прежде чем принимать решения и исполнять их. При этом клетки не являются носителями информации. Они лишь инструменты возникновения новых топологических отношений в нервной сети и, следовательно, новых пространственно-временных носителей информационных процессов.

Объем памяти у некоторых людей огромен, они могут запоминать страницы текста за короткий промежуток времени, другие – нет. Это означает, что параметры информационных блоков у разных людей различны. Под параметрами будем понимать объем памяти, быстродействие, аналитические возможности по ее обработке. Таким образом, память – это система, включающая ряд подсистем, которая имеет пороги по объему внешней информации, скорости ее поступления. Однако, как и во всякой биосистеме, в ней возможны процессы самоорганизации, перестройки и адаптации в процессе жизнедеятельности человека.

Исследования показывают, что нервные эмбриональные центры, состоящие всего из нескольких десятков клеток культуры тканей, обнаруживают тенденцию к самоорганизации. Изолированные группы нервных клеток показывают следы своеобразной нервной активности. Эти «шумовые» «спонтанные» возбужденные состояния не ограничиваются тем нейроном, в котором они возникли, а распространяются дальше и на другие аналитические, связанные с ним нейроны.

Группы нервных клеток, изолированные от естественных контактов в нервной системе, способны организовываться в единую систему. Каждая такая группа в зависимости от количества, вида и многообразия внутренних элементов развивает разные, но определенные формы активности и поддерживает их в течение длительного времени. Важно то, что такие нейронные группы, функционирующие по принципу самоорганизации, не нуждаются в афферентном возбуждении. Соединяя эти группы (каким-либо образом) с сенсорными нейронами, легко преобразовать их в искусственную систему рефлексов, однако для возникновения процессов самоорганизации в этом нет необходимости. Так, например, изолированные центры, содержащие сегментный двигательный аппарат спинного мозга [1], способны при помощи механизма самоорганизации генерировать выходной моторный импульс, необходимый для шагающего движения конечности. Отметим, что для образования выходного сигнала, генерирующего подобное движение, достаточно даже небольшой части одного из трех-четырех сегментов спинного мозга, иннервирующих конечности. Таким образом, не существует отдельного «командного» нейрона, и не имеет смысла утверждать, что вся нейронная сеть сегментов, приводящих в движение конечность, ответственна за генерацию выходного сигнала.

Рассмотрим принцип решения задачи и принятия решения. Поскольку система самоорганизующаяся, то для решения поставленной перед человеком задачи в топологическом нейронном пространстве выделяется область G, на вход которой по ее вызовам собирается вся имеющаяся в памяти человека информация (чрезвычайно важный момент, определяющий качество решения задачи). Отметим, что только часть топологического пространства G отдана природой для сознательной деятельности, остальные нейроны расположены в области G* бессознательной деятельности [24]. Предположительно, что информационно-энергетические потоки из G* в G и обратно по воле человека не осуществляются. По командам центра задача решается, результаты решения закладываются в долговременную память или для внешнего потребления. Затем по командам центра область сознательной деятельности мозга G очищается и готова к решению новых задач.

Эта ситуация совпадает с той, которая возникает, например, при решении научных проблем. Для решения научной проблемы собирается коллектив, который, используя все источники информации и необходимые технические средства, решает задачу. Полученные результаты передаются потребителю (заказчику), а коллектив возвращается в исходное положение. Эти же люди в другом составе в последующем будут решать другие задачи.

Некоторые задачи J_i , решаемые человеком, часто повторяются. Результаты решения таких задач откладываются в области , и по мере необходимости востребуются без предварительного решения. В связи с этим имеет смысл рассматривать топологическое пространство нейронной системы.

С учетом сказанного примем гипотезу: структура и способ решения задач в нейронных сетях человеческого мозга идентичны организации работ в социальной среде и других биологических системах.

В настоящее время имеется несколько математических моделей действия смешанных популяций, состоящих из возбуждающих и тормозных нейронов [2, 4]. При этом удается приблизиться к решению основной дилеммы нейробиологии: «рефлекс» и «центральная программа». Дело в том, что эти два представления о конечных принципах нервной деятельности не противоречивы, а дополняют друг друга согласно закону противоположностей.

Сеть нейронов, с одной стороны, – самоорганизующаяся система, назначение которой – преобразовать «нейронный шум»; с другой стороны, эта же сеть является и кибернетической системой, связывающей организм с процессами окружающего мира путем сложной иерархии рефлексов. Понять суть нервной организации можно, лишь рассматривая их совместно. В общем смысле «центральными программами» нервных центров являются те известные нам функциональные единицы, которые обусловлены генетически, характерны для данного вида и не требуют ни предварительного опыта, ни обучения. Опытно доказано, что часто очень сложные, казавшиеся вырожденными, цели поведенческих актов в действительности только в своих элементарных частях существуют в генетически закрепленной форме. В настоящее время доказано, что эти цели – результат постепенной интеграции элементарных частей в общую систему сложных поведенческих актов.

По очень осторожным подсчетам, кора головного мозга человека состоит примерно из двух миллионов так называемых структурных модулей. Отметим, что при этом нервные центры состоят из повторяющихся одинаковых единиц (модулей). Каждый модуль содержит 5000 нервных клеток. При этом модули не изолированы друг от друга, а сложно соединены между собой генетически точно детерминированными связями. Эти соотношения показывают, какие огромные возможности для самоорганизации имеет такое невообразимое количество частных явлений. Кроме того, топологически, на разных уровнях и между ними существуют иерархические связи, объединяющие воедино в каждый момент времени активность всей нервной системы.

Как известно, высшая нервная деятельность не существует без деятельности мозга. Но в настоящее время не известно конкретно, что чем определяется. Связаны ли те или иные процессы умственной деятельности с определенной частью анатомической нервной сети, с комбинацией в данный момент активных возбудителей и тормозных нейронов, с биологическими структурами, кодирующими каким-то образом элементы памяти и т. д. Таким образом, с точки зрения высшей нервной деятельности, не имеет смысла отдавать какой-то приоритет тому или иному подходу из всего множества известных. При этом не следует отделять сознание от его материального субстрата-носителя.

Отметим, что нервная система не изолирована от внешнего мира, а имеет постоянный контакт с ним посредством нескольких десятков миллионов аффекторных каналов. К тому же рефлексы, возникающие таким образом и соединенные друг с другом в сложной иерархии, в большинстве случаев являются не открытыми функциональными цепями (возбуждение → рецептор → афферентный импульс → центральное переключение → аффекторный импульс → эффектор), а замыкающимися через внешний мир. Таким образом, рефлекс или другой более сложный процесс поведения меняет взаимоотношения между человеком и внешним миром, что в свою очередь иногда полностью изменяет форму входного сигнала. Таким образом, человек и внешний мир объединены непрерывным циклическим (деятельным) информационным потоком.

В работе [42] система «мозг – психика» рассматривается как информационная система и с позиций информационной теории. При этом нейронная сеть – это самоорганизующаяся система, несущая информационно-энергетические потоки.

Если следовать «негэнтропийной[1]1
  Негэнтропия – мера упорядоченности состояния термодинамической системы; энтропия – мера неупорядоченности.


[Закрыть] теории информации», сформулированной Л. Бриллюэном [36], и ограничиться вторым законом термодинамики, возможно представить на примитивном уровне, что «сознание оказывает влияние на деятельность мозга».

Упорядоченность системы (ее негэнтропия) может быть увеличена, правда с потерями, при овладении информацией, а из негэнтропии (снова с потерями) может быть опять получена информация. Если взаимный обмен информации и негэнтропии воспринимать как расширенный цикл Карно, тогда здесь нет «вечного двигателя», так как нервная система, будучи открытой системой, постоянно перестраивает свое упорядоченное состояние за счет ресурсов внешнего мира.

Каковы перспективы точного и однозначного описания нервной системы? С этой целью обратимся к понятию «нейронный шум». Если «нейронный шум» – важная часть деятельности нервной системы, то такая система не может быть представлена как простой рефлекторный автомат. Только после однозначного описания ее нейронных связей и их статистического описания мы получим задачу: выяснить, какие динамические пространственно-временные формы связей складываются в нервных связях и при каких условиях и какие могут возникнуть состояния стабильности и нестабильности, циклы, функциональные разветвления и «катастрофы».

Обратимся к физике процесса возникновения «шумов». Известно [2], что полностью изолированные от окружающей среды группы нервных клеток обладают так называемой «спонтанной» активностью. Это означает, что изолированные нервные клетки в процессе метаболизма и в связи с их функциональной сверхчувствительностью «случайно», т. е. с непредсказуемой частотой и амплитудой, переходят в состояние возбуждения. Такие «спонтанные» возбужденные состояния относятся к понятию «шума» и представляют, по сути дела, процессы, сходные с броуновским молекулярным движением, которое протекает лишь в масштабах, меньших на несколько порядков. Если это так, то нервная система формирует случайные состояния и процессы, которые характеризуются информационно-энергетическими потоками. Таким образом, нервная система представляет собой систему, в которой есть случайные процессы, имеющие вероятностные характеристики.