Какой робот является самым сложным на свете? Не берусь говорить про сегодня, но в 1988 году самым сложным роботом был орбитальный корабль «Буран».
Буран выполнил космический полет в автоматическом режиме с использованием четырехкратно резервированного бортового компьютера «Бисер-4» и бортового программного обеспечения. Буран автоматически выдал тормозной импульс для схода с околоземной орбиты и, будучи космическим самолетом, приземлился на взлетно-посадочной полосе аэродрома «Юбилейный» космодрома Байконур.
Цель полета была достигнута благодаря тому, что система управления Бурана отличалась
уникальной надежностью и гибкостью. Подобная система очень сложна.
Я знаю об этом не понаслышке, поскольку участвовал в ее создании с первого до последнего дня. Меня зовут Владимир Паронджанов. В ту пору я был начальником лаборатории комплексной разработки вычислительной системы Бурана. Для сравнения стоит напомнить, что американский корабль Спейс Шаттл не был роботом и совершал полеты под управлением экипажа.
А Буран выполнил свой единственный полет без экипажа и впервые в мире совершил успешный спуск с космической орбиты и посадку в полностью автоматическом режиме. It was the first space shuttle to perform an unmanned flight, including landing in fully automatic mode.
О чем речь
Меня всегда интересовало сходство между роботом и человеком. Сложный робот похож на живого человека, но не по внешним признакам, а по существу.
Успехи науки, особенно биологии, химии, медицины, генетики и теории эволюции позволяют прояснить вопрос о сущности человека. Наука рассматривает человека не как венец творения, а как физический предмет, возникший в ходе эволюции естественным путем, как и все остальные предметы живой и мертвой (косной по Вернадскому) материи.
Это значит, что человек есть биологический самодвижущийся аппарат, которым управляет мозг, т. е. биологический компьютер, имеющий очень сложное биологическое «программное обеспечение».
По моему мнению, система управления сложного робота «Буран» похожа на биологическую систему управления живого человека. Конечно, есть и отличия, так как человек построен на другой (биологической) элементной базе.
Живой человек ведет себя в основном разумно. Как это ему удается? Кто управляет нашими действиями и нашим поведением? Бог, рок, судьба, случайность или тонкие миры и Высший Разум?
Возможно, кто-то возразит и скажет, что человек хозяин своей судьбы, значит, он сам собою и управляет. Пусть так. Но каким же образом происходит управление?
Похоже, что человек использует встроенную автономную систему управления, которая руководит всеми его действиями и в которую входит головной мозг и кое-что еще.
Речь идет о биологической системе управления человеческим телом. А как же душа? Давайте для начала разберемся с телом.
Что такое человек
Как работает человеческий мозг? Как устроена система управления человеческим телом? Из каких деталей она состоит? Человек — не царь природы, а всего лишь машина, и первым об этом заявил удивленному миру еще в XVIII веке врач Жюльен Офре де Ламетри. Если это верно, то развенчанного царя следует называть более скромно — не человек, а челобот.
Философ Карл Поппер писал:
Доктрина о том, что человек есть машина, была наиболее убедительно аргументирована Ламетри в 1748 году, задолго до того, как теория эволюции стала общепринятой, устранив различие между живой и мертвой материей. Несмотря на победу новой квантовой теории и обращение стольких физиков в индетерминизм, учение Ламетри: человек есть машина, имеет, пожалуй, больше защитников, чем раньше, среди физиков, биологов и философов, особенно в форме тезиса о том, что человек есть компьютер.
Рис. 1. Французский врач и философ Жюльен Офре де Ламетри (1701–1751)
Человеческий мозг
Самым замечательным созданием природы является человек. И самое ценное, чем человек обладает, это его, тоже созданный природой, мозг.
Уильям Аллен Уайт
Мозг — это биологический компьютер, предназначенный для:
обработки биологической информации;
управления человеческим телом и поведением;
управления жизненно важными процессами, протекающими в человеческом теле;
заботы о безопасности и сохранении жизни;
эффективного приспособления к среде обитания и активного преобразования мира;
выполнения умственной работы;
реализации творческих замыслов и удовлетворения духовных запросов;
формирования эмоциональных состояний и управления эмоциями.
Мозг состоит из большого количества нервных клеток (нейронов). В коре головного мозга 15 миллиардов нейронов, в мозжечке — внимание! — почти 70 миллиардов.
Как это понимать? Почему у мозжечка в четыре раза больше нейронов, чем у коры мозга? Ведь кора намного важнее мозжечка, разве нет?
Кора управляет всеми движениями тела, но делает это, увы, приблизительно. А мозжечок приходит на выручку и придает движениям точность, плавность, и красоту.
Рис. 2. Модель мозга человека, красным выделен мозжечок
Если мозжечок выйдет из строя, получится большая неприятность.
Походка у больного с патологией мозжечка весьма характерна и носит название «мозжечковой». Больной в связи с неустойчивостью тела идёт неуверенно, широко расставляя ноги, его бросает из стороны в сторону. Особенно отчётливо неустойчивость видна при поворотах. Походка больного с поражением мозжечка напоминает походку пьяного.
Если атаксия (нарушение координации движений) оказывается резко выраженной из-за дефекта мозжечка, то больные полностью теряют способность владеть своим телом. Они не могут ходить, не могут стоять, не могут даже сидеть. Так что мозжечок — не пустячок.
Нейрон и биологические нейронные сети
Рис. 3. Пирамидальный нейрон.
Рис. 4. Нейрон имеет нервные отростки: аксон и дендриты
Нейрон — это помесь микросхемы с осьминогом. Подобно микросхеме нейрон умеет обрабатывать информацию. Подобно осьминогу он имеет щупальцы — нервные отростки. С их помощью он присоединяется к другим осьминогам и мышцам. Место соединения щупальцев двух нейронов похоже на микроскопический штепсель, состоящий из вилки и розетки.
Рис. 5. Такой живой штепсель называется синапсом
Синапс похож на небольшую шишечку (утолщение), которая вырастает в точке встречи двух щупальцев, прочно склеивая их между собой.
Нейроны вовсе не отшельники. Наоборот, они тесно связаны между собой многочисленными «телефонными кабелями» (нервными волокнами). Благодаря этим кабелям нейроны постоянно общаются друг с другом и обмениваются ценной информацией. Информация передается с помощью химических и электрических сигналов.
Множество связей образует биологическую межнейронную сеть. Такая сеть определяет маршруты, по которым в мозгу передаются потоки информации.
Как человек запоминает информацию
Межнейронная сеть не является застывшей, окаменелой. Она постоянно изменяется. Подобные изменения имеют важный смысл: они служат для запоминания информации.
За свою жизнь человек накапливает и запоминает огромное количество всякой всячины. Многое, конечно, быстро забывается. Но некоторые сведения (например, дорогие сердцу воспоминания о первой любви) мы помним очень долго, иной раз — всю жизнь.
Каким образом мозг хранит информацию? Как устроена долговременная память мозга?
Согласно одной из гипотез, памятью мозга является межнейронная сеть, то есть совокупность связей между нейронами.
Долгосрочное запоминание
Предположим, надо запомнить что-нибудь серьезное. Например, за пять лет обучения освоить полный университетский курс по специальностям «биология», «химия» или «математика».
В процессе обучения в мозгу студента между нервными клетками постепенно образуются многочисленные связи, которые прежде отсутствовали. При этом какие-то ранее существовавшие связи, вероятно, могут отмирать и замещаться новыми.
Нейроны можно сравнить с населенными пунктами, а межнейронные связи — с дорогами. Процесс обучения мозга — это прокладка дорожной сети между населенными пунктами.
Представим себе, что мозг — огромная страна, в которой миллиарды населенных пунктов. Когда человек появляется на свет, в стране почти совсем нет полезных дорог. Но маленький человечек растет, набивает шишки, набирается ума. Это значит, что в его мозгу идет активное строительство дорожной сети. Кончил паренек школу — количество дорог увеличилось во много раз. Успешно одолел институт — к прежним дорогам добавилось множество новых.
Всякий раз, когда наш герой приобретает новый ценный опыт, включаются в дело новые дорожные рабочие и асфальтоукладчики. Человек шагает по служебной лестнице, обрастает знаниями, становится мудрее, духовно богаче — дорожная сеть становится все гуще и гуще, достигая пика в зрелом возрасте.
Таким образом, длительный процесс прижизненного обучения (от рождения до смерти) — это процесс непрерывной перестройки межнейронной сети и постоянного формирования новых связей.
Благодаря волшебной нейронной паутине мы обладаем бесценным даром памяти. Все, что хранится в памяти, почти всегда можно вспомнить (если в мозгу нет старческих и иных дефектов).
Когда мы, вспоминая, активизируем межнейронное кружево, перед нашим мысленным взором оживает нужная информация. Это может быть знакомый уголок с тремя соснами над тихой речкой… Сверкающий огнями шумный город… Последовательность событий нашей жизни… Важнейшие вехи биографии и что-то очень личное и интимное… Здесь же хранятся милые сердцу воспоминания детства, огромные запасы профессиональных знаний и множество других впечатлений, которые по тем или иным причинам оставили в душе неизгладимый след. Поэт и художник Давид Бурлюк как-то сказал: «У Маяковского память, что дорога в Полтаве — каждый калошу оставит».
Мы в состоянии вспомнить тончайшие душевные переживания, мгновения пленительного счастья, драматические жизненные потрясения, удивительные встречи с интересными людьми и многое другое. Но есть и ограничение. Извлечь из памяти можно только то, что закодировано в паутине в форме межнейронных перемычек. Если нужные перемычки отсутствуют, значит, информации в мозгу нет и вспомнить ее невозможно.
Верные слуги мозга: эффекторы и рецепторы
Наша цель — выявить главный секрет мозга. Для этого нам понадобятся два понятия: эффекторы и рецепторы.
Оглянитесь вокруг или включите телевизор. Вы увидите множество людей, которые смеются и плачут, поют и танцуют, целуются и кричат от восторга, строят города и участвуют в гонках, краснеют от смущения и бледнеют от страха, заседают в парламентах и посещают рок-концерты.
Жизнь ослепляет нас богатством красок. Ее проявления столь многообразны, что попытка найти какие-то общие черты в разноцветье человеческих действий и поступков, непроизвольных движений и эмоциональных состояний кажется невозможной. Между тем сделать это нетрудно.
В основе всех без исключения жизненных проявлений можно обнаружить работу миллионов «силовых» клеток — эффекторов, то есть исполнительных органов нашего тела.
Эффекторы бывают двух типов: мышцы и железы.
Мышцы производят движения, они способны сокращаться и растягиваться. Железы выделяют вещества, например, слезы, слюну, пот, желудочный сок, женское молоко.
Сияние глаз любимой девушки, ее божественная улыбка, грациозная походка, дразнящие шутки, нескромные ласки… Все это (как ни кощунственно звучит такая мысль) с точки зрения биологии представляет собой работу разнообразных эффекторов — мышц и желез. К ним относятся и глазодвигательные мышцы, и мышцы управления мимикой и голосом, и изящная мускулатура ее прелестных ножек.
Остановите работу эффекторов — в ту же минуту восемь миллиардов человек, населяющих планету, превратятся в живых покойников. У них будет остекленевший взгляд. Они не смогут пошевелить даже самой крохотной мышцей своего тела.
Рис. 6. Мышцы состоят их мышечных волокон. Волокна объединяются в пучки. Пучки, вставленные друг в друга, образуют брюшко мышцы
Скелетная мышечная ткань создает скелетную мускулатуру человека. Она выполняет различные действия: движение тела, сокращение голосовых связок, дыхание.
Бицепс у молодого взрослого мужчины, содержит около 253 000 мышечных волокон.
Мышцы сердца (кардиомиоциты) генерируют электрические импульсы, задающие сердечный ритм.
Рис. 7. Компьютерная модель работы сердца
Что такое поведение
Понятие «поведение» в широком смысле слова охватывает все формы человеческой активности. Это и наиболее сложная деятельность (хирургическая операция на открытом сердце, разработка программного обеспечения, игра на скрипке). Это и простейшие физиологические функции (дыхание, кашель, чихание, отрыжка, потение, мочеиспускание).
Таким образом, любое поведение людей, простое и сложное, реализуется с помощью эффекторов. Деятельность мышц и желез полностью исчерпывает весь наблюдаемый репертуар человеческих действий, любую игру страстей и эмоциональных состояний. Не существует никаких форм видимого поведения, которые реализуются каким-то третьим путем — помимо мышц и желез.
Чтобы эффектор сработал, он должен получить приказ
Как можно объяснить непостижимое разнообразие человеческой активности? Почему разные люди в сходных обстоятельствах ведут себя по-разному? Почему они поступают так, а не иначе? Что ими руководит: свободная воля, рука судьбы или промысел Божий? Какая волшебная сила действует на эффекторные клетки, заставляя мышцы сокращаться и растягиваться, а железы — выделять вещества?
Нейробиологи убеждены, что волшебная сила здесь ни при чем. Хотя в нашем теле великое множество эффекторов (их масса составляет половину массы тела), ни один из них не срабатывает случайно, беспричинно. Чтобы эффекторная клетка включилась в работу, она должна получить приказ из мозга.
Как это происходит? Какой «умный гном» в мозгу выдает мышце приказ «Начни движение!»?
Это делают не гномы, а так называемые моторные нейроны (мотонейроны), расположенные в двигательной коре головного мозга, а также в спинном мозгу. У этих нейронов (нервных клеток) есть длинные отростки (аксоны), которые идут в разные места, например к мышцам ног. Нервное окончание клетки прикреплено к мышце с помощью хитроумного штепселя, который называется нервно-мышечным синапсом.
Рис. 8. Нервно-мышечный синапс
Итак, почему начинает двигаться нога? Потому что при возбуждении моторного нейрона команда по длинному нервному отростку поступает в ногу. Прикрепленный к нервному окончанию живой штепсель впрыскивает в мышцу особое едкое вещество (ацетилхолин). Оно действует как удар кнута и вызывает сокращение мышцы.
В действительности все происходит намного сложнее. Моторные нейроны инициируют движение мышц. Но чтобы движения были не грубыми, а точными и элегантными, к работе подключаются другие мозговые структуры — мозжечок и базальные ганглии. Они способны работать с ювелирной точностью, обеспечить взаимную координацию и плавность движений отдельных мышц. Благодаря им человек ходит не спотыкаясь и прихрамывая, а уверенно и красиво.
Начинаем строить систему управления телом
Компьютерная метафора гласит: человеческий мозг похож на компьютер. Эта аналогия полезна, но не достаточна. Ведь компьютер слепой, глухой, безрукий и безногий. Он совсем не похож на человека. Из-за отсутствия глаз и ушей компьютер ничего не видит и не может ориентироваться в окружающем мире. У него нет ног — он не может ходить. У него нет рук — он не может мастерить.
Попробуем устранить недостатки. Добавим органы чувств, органы движения и еще кое-что — компьютер превратится в робота. Это меняет дело, так как робот немножко похож на живого мужика или женщину. Сходство увеличится, если сделать органы чувств более изощренными, органы движения — более гибкими, а компьютер — более интеллектуальным.
Аналогия между роботом и человеком является весьма глубокой. Чем же она хороша? Робот — самодвижущийся автомат, которым управляет автоматическая система управления. Эта система содержит три основных элемента:
датчики (аналог человеческих органов чувств, то есть рецепторов);
компьютер (аналог мозга);
исполнительные органы (аналог эффекторов).
Рис. 9. Система управления робота и система управления человека имеют одинаковую структуру
Датчики — глаза и уши сложного робота. Они воспринимают огромный поток информации, поступающий из внешнего мира (а также от внутренних органов робота), преобразуют его в электрические коды и передают в компьютер.
Компьютер пережевывает полученную информацию, тщательно ее сортирует, выискивая жемчужные зерна. Затем сравнивает данные, поступившие от множества разных датчиков, выясняя, кто их них лжет, а кто говорит правду. Кроме того, он сравнивает новые порции информации со своим предыдущим опытом.
Опыт — огромный ворох разнообразных сведений, которые поступили от датчиков вчера, позавчера и много дней назад. Сведения о прошлых событиях хранятся в цепкой памяти робота в виде кодов, записанных в запоминающих устройствах.
Постоянно повторяя прием и обработку новой информации, компьютер формирует результаты, то есть серии управляющих команд. Эти команды передаются в многочисленные эффекторы — исполнительные органы робота.
Эффекторы (механические руки, ноги, двигатели и множество других силовых элементов) приходят в движение. Это значит, что робот начал двигаться и выполнять задания.
Датчики внутреннего состояния
Но это еще не все. Вездесущие датчики внутреннего состояния шпионят за каждым движением робота и непрерывно строчат доносы в компьютер, делая это как образцовые стукачи в полицейском государстве. Такие доносы играют важную роль.
С их помощью компьютер осуществляет тотальный контроль за каждым движением любого эффектора. Он узнает, какое движение является неточным, неудачным или ошибочным. Компьютер немедленно корректирует движение, посылая в эффекторы новые серии уточняющих команд.
Благодаря непрерывной работе датчиков-доносчиков и датчиков-наводчиков компьютер осуществляет непрерывную корректировку своих команд и целеуказаний. Он добивается, чтобы робот выполнял работу с безукоризненной точностью.
Изюминка в том, что система управления сверхсложным роботом по своей структуре очень похожа на систему управления человеческим телом. Эта мысль является важным шагом к разгадке удивительной тайны — тайны человека.
Что такое рецепторы
Часто говорят, что у человека пять чувств: зрение, слух, осязание, обоняние и вкус. На самом деле каждый из нас имеет не менее дюжины различных органов чувств. Каждый орган содержит чувствительные клетки — рецепторы.
Рецептор — биологический датчик информации. Он воспринимает энергию внешнего стимула, преобразует ее в электрические сигналы, которые поступают в мозг по нервным волокнам.
Внешний стимул — раздражитель, который воздействует на рецептор. Стимулы связаны с различной формой энергии — световой, звуковой, химической, тепловой, механической.
Например, рецепторы глаза (палочки и колбочки) — это фотоэлементы, реагирующие на световую энергию. При отсутствии света, в полной темноте, мы ничего не видим.
Рис. 10. Строение сетчатки человеческого глаза.
Фоторецепторы показаны голубым и красным: палочки обозначены буквой R, колбочки — буквой С.
Внизу видны биполярные Bi и ганглионарные G клетки.
На сетчатке расположены не только миллионы фоторецепторов, но и небольшой глазной мозг, содержащий четыре слоя нервных клеток. Он осуществляет первичную обработку изображения, преобразует его в электрические импульсы, которые передаются в основной мозг по зрительному нерву. Таким образом, сетчатка — это не просто чувствительная поверхность, усеянная фоторецепторами. Это часть мозга.
Рецепторы уха воспринимают звуковую энергию, то есть колебания воздуха частотой 40—20 000 Гц. Звук преобразуется в электрические сигналы, которые, поступая в слуховые зоны мозга, порождают слуховые ощущения.
Рис. 11. Слуховой рецептор. Показан разрез через Кортиев орган. Видны наружные (outer) и внутренние (inner) волосковые клетки уха.
Рецепторы носа и языка реагируют на химические соединения и передают в мозг информацию, которую мы воспринимаем как запах и вкус.
В коже имеется обширный набор кожных рецепторов, реагирующих на прикосновение, давление, тепло и холод.
Кроме того, в коже размещены рецепторы боли (ноцицепторы). Последние имеют очень высокий порог срабатывания и возбуждаются только опасными стимулами, повреждающими или грозящими повредить окружающую ткань. Прибывающие в мозг сигналы от ноцицепторов субъективно воспринимаются как различные виды боли: ожог, удар, укол, порез.
Рис. 12. Кожный рецептор, чувствительный к вибрации — тельце Паччини (в красном овале)
Как организм получает информацию о внешнем мире
В нашем теле несметное количество рецепторов. Если сравнить мозг с генеральным штабом, множество рецепторов — это гигантская агентурная сеть, задача которой — добывать информацию. Словно лазутчики или тайные агенты, рецепторы внедряются в различные ткани и органы тела. И снабжают генеральный штаб драгоценной разведывательной информацией.
Существует два мощных информационных потока, несущие в мозг:
информацию о внешнем мире;
информацию о внутренних органах.
В первую очередь нас интересует внешняя информация.
Экстероцепторы — биологические датчики, передающие в мозг известия об окружающем мире. Некоторые из них могут воспринимать информацию на расстоянии (зрительные, слуховые, обонятельные рецепторы). Для других нужен непосредственный контакт (рецепторы кожи и языка). Чтобы почувствовать вкус конфеты, ее нужно лизнуть.
Слово «экстероцептор» буквально означает внешний приемник (экстер — внешний, рецептор — приемник). Пять чувств, о которых знали еще древние, связаны с познанием внешнего мира и, следовательно, с экстероцепторами.
Однако современная картина, как видно из таблицы, вносит много интересных подробностей. Графа «Название рецепторов» сообщает, что наши родимые органы чувств используют 13 типов внешних рецепторов.
«Ой, доска кончается — сейчас я упаду!» Зачем нужны органы равновесия
Рецепторы вестибулярного аппарата находятся во внутреннем ухе. Они дают нам спасительное чувство равновесия. Малейший дефект мозга, приводящий к нарушению равновесия, имеет драматические последствия — люди все время будут с грохотом падать на землю.
Равновесие необходимо всегда — и в покое, и при движении. Вестибулярные рецепторы реагируют на наклоны и повороты человека, а также на угловые скорости наклонов и поворотов.
Когда мы крутим головой, нам кажется, что удержать равновесие очень просто. На самом деле, чтобы решить эту задачу, наш мозг осуществляет сложные математические вычисления. Он производит векторный анализ информации, определяет истинную ось вращения головы, вырабатывает итоговые сведения об ориентации черепа в пространстве, а также об угловых ускорениях, действующих на голову.
Полученные данные позволяют человеку при любых наклонах головы сохранять нужную позу и безошибочно выполнять движения. Они помогают мозгу правильно рассчитать время, порядок следования и интенсивность команд, управляющих тысячами мышечных клеток, реализующих всевозможные сложные движения и перемещения тела.
Что такое сенсорный приток
Новорожденный младенец прямо из чрева матери попадает в незнакомый, огромный, сверкающий и сказочно богатый мир. Но крошечный сморщенный человечек ничего не знает об этом удивительном и опасном мире. Чтобы выжить, он должен с ним познакомиться, многое узнать о месте, в котором ему суждено жить. К счастью, мудрая природа снабдила младенца органами чувств.
Через эти органы в мозг человека течет огромная, щедрая и бесконечная информационная река, содержащая все необходимые сведения. Эта река называется «информационный поток», или, что одно и то же, сенсорный приток. Поясним термин. Сенсор — орган чувств. Когда нам недостает впечатлений, мы говорим, что испытываем сенсорный голод.
Сенсорный приток поступает в мозг человека через миллионы рецепторов (датчиков информации).
Сенсорный приток — мощный источник информации, передающий в мозг сведения о внешнем мире. Если с момента рождения этот канал окажется полностью или частично нарушенным или перекрытым (как в случаях с Маугли), то процесс обучения и приспособления к среде обитания будет неполноценным или даже невозможным.
Непрерывно текущий и полноводный сенсорный ручей играет громадную роль. Постоянный ежедневный приток новой полезной и нужной информации является жизненно необходимым для нормального развития и успешной работы человеческого мозга.
Как организм узнает о своих движениях и позе
Отведите руку за спину, растопырьте пальцы, а затем сожмите в кулак. В этих простых движениях есть нечто удивительное.
В самом деле, пока рука находится за спиной, ее нельзя увидеть. Тем не менее, мы совершенно точно знаем, в каком положении находятся пальцы — согнуты они, растопырены или сжаты в кулак. Откуда нам об этом известно?
Говорят, мы обладаем «мышечным чувством», которое информирует нас о положении мышц и суставов. Но что такое мышечное чувство?
Проприоцепторы — биологические датчики движения и позы, расположенные повсюду — во всех суставах, сухожилиях, мышцах. Они посылают в мозг сведения о положении и движении костей в суставах, о степени напряжения мышц и растяжении сухожилий. Это нужно, чтобы безошибочно управлять движениями тела — ходить не спотыкаясь, чесать нос, не попадая при этом в глаз. А также поддерживать нужную позу. Ведь без контроля позы со стороны двигательной системы человек сразу рухнет на землю, как боксер в нокауте.
С работой проприоцепторов сочетаются сигналы от вестибулярного органа. Это позволяет определять положение тела в поле земного притяжения — сохранять равновесие при любых сложных движениях и наклонах головы. Благодаря проприоцепторам мы приобретаем сразу четыре способности:
чувство позы;
чувство движения;
чувство силы;
чувство тела.
Рис. 13. Сухожильный орган Гольджи (нервно-сухожильное веретено) — рецепторный орган, располагающийся в местах соединения мышечных волокон с коллагеновыми пучками сухожилий.
Поза определяется углом расположения костей в каждом суставе.
Если сокращается одна мышца, угол между костями уменьшается. Если другая — угол увеличивается. Понаблюдайте за своей рукой. Когда сокращается первая мышца (сгибатель), рука сгибается. Когда в работу вступает вторая мышца (разгибатель), рука разгибается.
Чувство позы состоит в том, что мы — даже с закрытыми глазами — осознаем углы между костями в суставах, а значит, и относительное положение частей тела.
При изменении положения сустава, то есть при движении костей и изменении угла между ними мы воспринимаем и направление, и скорость этого движения. Это и есть чувство движения.
Давайте поднимем несколько предметов, например, гирь или чемоданов. Мы довольно быстро сумеем сказать, какой из них тяжелый, а какой — легкий.
Чувство силы означает, что мы ощущаем степень мышечного усилия, нужного для выполнения движения или поддержания позы. Благодаря этому чувству мы достаточно хорошо оцениваем вес предметов, поднимая их рукой.
Сочетание информации, поступающей от кожи и суставов, создает наше субъективное представление о собственном теле. Мы ощущаем свое родное тело как единое целое. Мы хорошо чувствуем его границы и положение в пространстве. Это и есть чувство тела.
Давайте забьем гвоздь
Когда я заколачиваю в стену гвоздь, информация поступает в мой мозг, как минимум, по пяти разным тропинкам:
через глаза (я вижу стену, гвоздь, молоток и свои руки, держащие молоток и гвоздь);
через уши (я слышу отрывистый звук удара молотка о гвоздь);
через кожу рук (я чувствую прикосновение, давление и сопротивление молотка, гвоздя и стены);
через вестибулярный аппарат (я удерживаю равновесие, чтобы не свалиться со стремянки);
через проприоцепторы (я ощущаю положение и движение своих рук, удерживающих и перемещающих молоток и гвоздь в нужную позицию с нужной силой; кроме того, я чувствую тяжесть молотка и соразмеряю с ней размах и силу удара).
Внутренние очи организма
Пожилые люди частенько жалуются: «Ах, у меня опять подскочило давление! Голова болит ужасно».
А почему, собственно, повысилось давление? Почему оно то повышается, то понижается? И еще: почему у здоровых людей давление в норме? Какая неведомая сила ухитряется регулировать давление, делая его нормальным и обеспечивая хорошее самочувствие?
В человеческом организме есть «секретный» регулятор давления, о существовании которого мы часто не подозреваем. Впрочем, секрет раскрывается просто.
В стенках крупных внутригрудных и шейных артерий расположены многочисленные датчики (барорецепторы), которые умеют измерять кровяное давление и передавать полученные данные в мозг. Последний, как заправский кудесник, регулирует давление крови, удерживая его в заданных пределах.
Предположим, датчики сообщают: «Внимание! Давление увеличилось!» В ответ нервная система выдает точно рассчитанные управляющие приказы. Вследствие этого специальные мышцы расширяют кровеносные сосуды, а также уменьшают частоту и силу сокращений сердца. В результате кровяное давление уменьшается и нормализуется.
В нашем организме много различных систем. В каждой из них есть датчики, которые заботятся об исправной работе наших внутренностей. Такие датчики называются «интероцепторы» (интеро — внутренний, рецептор — приемник).
Интероцепторы — чувствительные элементы, передающие в нервную систему информацию о состоянии внутренних органов (желудка, легких, сердца и т. д.). Эта информация необходима для работы систем автоматического (бессознательного) управления пищеварением, дыханием, кровообращением.
Три группы рецепторов
Все рецепторы, которые есть в нашем организме, делятся на три группы (к сожалению, они получили варварские и труднопроизносимые названия):
экстероцепторы;
проприоцепторы;
интероцепторы.
Рис. 14. Виды рецепторов и их функции
Согласованная работа рецепторов, мозга и эффекторов обеспечивает эффективное управление человеческим телом.
Кибернетика. Чтобы разгадать тайну мозга, нужна подсказка суфлера
Нет ничего тайного, что не сделалось бы явным, и ничего не бывает потаенного, что не вышло бы наружу.
Евангелие от Марка
Две замечательные науки — анатомия и физиология — пытаются ответить на вопрос: Как устроена и как работает биологическая машина нашего тела? Ученые накопили огромное количество ценнейших сведений, полученных с помощью анатомии и физиологии.
Все бы хорошо, да вот беда: объем знаний безостановочно растет. Анатомические и физиологические данные громоздятся друг на друга, превращаясь в египетскую пирамиду фактов. Не только студентам, но и специалистам порою кажется, что анатомия, физиология и другие разделы биологии — это необозримый дремучий лес, в котором легко заблудиться и почти невозможно отыскать спасительную тропинку, ведущую к истине.
А нельзя ли проложить в этом лесу просторные и удобные просеки? Нельзя ли превратить запутанную мозаику фактов в стройную и понятную картину?
Удобный язык предоставляет кибернетика. В 1948 году Норберт Винер изложил основные идеи кибернетики, продемонстрировав общность процессов управления и связи в животном и машине. С тех пор неоднократно предпринимались попытки применить кибернетические идеи к разгадке тайны человека. Успехи нейробиологии и других наук дали для этого обильную пищу. Данная статья опирается на идеи Винера.
Три интригующих вопроса
Глядя с кибернетической колокольни, попытаемся выяснить:
Как устроена система управления человеческим телом?
Где находится ее информационный вход?
Где находится силовой выход?
Эти вопросы — мощные прожекторы, ослепительные лучи которых проникают в мельчайшие поры анатомии и физиологии. В результате горы накопленных фактов предстают в совершенно ином свете. Суть в том, что кибернетические прожекторы позволяют увидеть сходное в различном.
В самом деле, что общего между фоторецептором глаза, волосковой клеткой уха и датчиком растяжения, спрятанном в сухожилии? На первый взгляд — ничего, ведь анатомически эти клетки не похожи. Но кибернетика подсказывает, что все они относятся к классу рецепторов, так как выполняют единую функцию — функцию сбора информации.
Благодаря кибернетическому подходу среди множества клеток нашего тела можно выделить две ключевые группы: рецепторы и эффекторы. Первые символизируют информационный вход системы управления. Вторые — ее силовой выход.
Легко догадаться, что между рецепторами и эффекторами есть связь. Эту связь осуществляет нервная система и ее центральный элемент — мозг.
Однако это, казалось бы, очевидное утверждение нуждается в уточнении. Оказывается, в управлении нашим организмом участвует еще один игрок, который до сих пор прятался за кулисами. Имя этого игрока — эндокринные железы.
Эндокринные железы как управляющие приборы
Железы бывают экзокринные и эндокринные. Экзо значит снаружи, эндо — внутри.
Выше шла речь об экзокринных железах, которые вырабатывают слезы, слюну, пот, желудочный сок и т. д. Но существуют особые железы, которые выделяют удивительные информационные молекулы — гормоны. Такие железы называются эндокринными.
Гормоны — химические телеграммы, которые отправляют туда, куда надо — к клеткам-мишеням. Они путешествуют не по нервам, а по кровеносным сосудам — вместе с током крови. Гормон похож на бутылку с важной запиской, которую бросили в реку. В нужном месте бутылку ловят, распечатывают и исполняют заложенный в ней приказ.
Гормоны несут важные команды, управляющие различными органами и клетками нашего тела. В качестве гормонов чаще всего используются специальные белки.
Эндокринная система состоит из эндокринных желез и кочующих по кровеносным сосудам гормонов. Это химическая система управления, служащая для передачи химических сообщений, которые управляют жизненными функциями и процессами.
Как это работает? Гормон роста (соматотропин) отвечает за рост новорожденного. Благодаря этому чудо-гормону крошечный малыш постепенно увеличивается в размерах и становится большим взрослым человеком. Если гормона не хватает, происходит семейная трагедия: дети превращаются в карликов — людей очень маленького роста, но нормального телосложения.
Одна из эндокринных желез — щитовидная — имеет форму галстука-бабочки. Она находится под кожей примерно в том месте, где такой галстук обычно носят. Эта железа вырабатывает несколько гормонов, в частности тироксин. «Поломка» щитовидной железы влечет за собой серьезные неприятности. Нехватка тироксина с момента рождения ведет к кретинизму, который выражается в задержке роста и умственного развития. К счастью, если выявить заболевание на ранней стадии, можно добиться восстановления роста и развития, используя лекарства, содержащие тироксин.
Две согласованные системы управления
Передача приказов и сообщений из мозга в исполнительные органы производится двумя способами:
мозг выдает команду, которая по нерву передается к адресату;
команда мозга возбуждает эндокринную железу, которая превращает ее в поток химических приказов (гормонов), пересылаемых к цели по кровеносным сосудам.
Биологическая система управления человеческим телом
Мы выяснили, что эндокринная система есть биоинформационная система управления. Она работает в тесном союзе и под руководством нервной системы. Более того, с точки зрения кибернетики, следует говорить не о двух системах (нервной и эндокринной), а о единой нейроэндокринной системе.
Данная система является высшей командной инстанцией. Она осуществляет обработку огромных массивов информации, поступающих от органов чувств и других рецепторов, и управляет всеми системами человеческого тела.
Далее вместо сложного термина «нейроэндокринная система» мы будем для простоты использовать слово МОЗГ, написанное заглавными буквами.
МОЗГ — это целая вселенная, в которой протекают процессы головокружительной сложности. Однако ее информационная суть, думается, ясна. МОЗГ представляет собой биологический компьютер, информационную машину.
С учетом этих оговорок можно сказать, что система управления человеческим телом включает в себя:
рецепторы;
МОЗГ (нейроэндокринную систему);
эффекторы.
Оказывается, миллионы разнообразных клеток, которые при поверхностном анатомическом анализе имеют мало общего, можно с полным правом объединить в укрупненные смысловые группы. Получается простая структура биологической системы управления человеческим телом, показанная на рис. 15.
Рис. 15. Биологическая система управления человеческим телом
Как взаимодействуют рецепторы, МОЗГ и эффекторы
Три знаменательных слова «рецепторы, МОЗГ, эффекторы» можно использовать как волшебный пароль, подводящий нас вплотную к разгадке тайны человека. Попытаемся осмыслить сказанное.
В человеческом теле 30 триллионов клеток. Если клетки будут действовать вразнобой, начнется хаос, и жизнь станет невозможной. Поэтому клетки организма должны шагать в ногу, работать согласованно. Для этого нужен командир, управляющий прямо или косвенно всем клеточным оркестром. Эту роль выполняет биологическая система управления телом, которая решает чрезвычайно сложную задачу. Каким образом?
Выявленная структура системы управления позволяет прояснить ситуацию. Процесс получения и обработки информации начинается с рецепторов, которые в дружной команде управления играют особую роль. Человек живет в океане информации. В теле находятся миллионы рецепторов, которые снабжают нас сведениями на все случаи жизни. Рецепторы — окно в мир.
Краски, звуки и запахи жизни, фейерверк впечатлений, водоворот людских страстей, стремительная лавина повседневной информации, несметные сокровища науки и искусства, таинственные уголки планеты, ошеломляющий калейдоскоп жизненных ситуаций… Все это мы воспринимаем через скромные и неутомимые датчики информации — рецепторы.
Вспомним также, что рецепторы — это и другое окно, через которое наш мозг зорко смотрит внутрь собственного тела. Оттуда он черпает ценнейшую «невидимую» информацию, которая помогает ему контролировать точность движений и управлять слаженной работой внутренних органов.
Собранная рецепторами информация поступает в МОЗГ (нейроэндокринную систему). Последний все время начеку и испытывает информационный голод. Без постоянного притока свежих новостей он не может нормально функционировать и управлять жизненными процессами. Каждую минуту в МОЗГ поступают горы информации, собранные легионами рецепторов. МОЗГ оценивает обстановку, сортирует, выделяет главное, игнорирует одни сообщения (как несущественные), анализирует другие. Он обращается к ранее полученным донесениям, обрабатывает их с помощью хитроумных алгоритмов и отдает точно рассчитанные управляющие команды, которые поступают для исполнения в эффекторы.
Некоторую часть информации (наиболее важную или наиболее эмоционально окрашенную) мозг сохраняет в памяти, где она хранится как драгоценный приобретенный опыт.
Врожденная и прижизненная информация
Информация, которой обладает человек, делится на врожденную и прижизненную.
В какой момент он получает врожденную информацию? В тот момент, когда его по сути дела еще нет. Точнее говоря, в тот таинственный миг, когда человек только начинает свой земной путь в виде одной-единственной клетки. Это то самое мгновение, когда в результате полового акта родителей образовалась зигота (оплодотворенная яйцеклетка). Именно в ней соединились перемешанные гены отца и матери и сформировался личный, уникальный, генетический код нового человека, который и является врожденной информацией.
Я гамета, ты гамета,
Я люблю тебя за это.
Так давай соединимся
И в зиготу превратимся.
Вся остальная информация, которую человек получает, будет уже не врожденной, а прижизненной. Рецепторы работают безостановочно и снабжают мозг ворохом информации непрерывно в течение всей жизни, от рождения до смерти. Интегральная информация, поступившая в мозг от рецепторов, постоянно увеличивается за счет новых порций. К ранее накопленному опыту добавляется опыт каждой новой прожитой минуты, каждого дня, каждого года.
Можно сказать, что тело человека имеет два входа: на первый поступает генетический код, на второй — прижизненная информация. МОЗГ впитывает информацию из обоих источников и формирует команды, управляющие послушными эффекторами. На рис. 16 видно, что поведение человека зависит от этих двух переменных.
Рис. 16. Поведение человека зависит от двух факторов: врожденной информации (генетического кода) и прижизненной информации
Гибкие межнейронные связи
Межнейронные связи делятся на две группы: жесткие и гибкие.
Жесткие связи заданы генетическим кодом; они не имеют отношения к нашей способности учиться и запоминать. Они не зависят от прижизненного опыта. Слово «жесткие» подчеркивает тот факт, что эти связи нельзя изменить с помощью обучения и воспитания. Если бы в мозгу были только жесткие связи (и не было гибких), человек был бы круглым идиотом, не способным к обучению.
Гибкие межнейронные связи хранят наши знания и воспоминания. Гибкие перемычки зависят не только от генов, но и от прижизненных фактов, событий и известий. Они служат для запоминания новой информации. Именно гибкие связи делают человека человеком. Именно они позволяют ему учиться, приобретать опыт и знания, набираться ума-разума.
Оба типа межнейронных связей являются необходимыми. Например, к моменту рождения человек должен уметь дышать. Для этой цели в организме предусмотрена система управления дыханием. В мозгу имеется группа жестких межнейронных связей, в которых закодирована программа управления дыханием. Эта программа является врожденной и неизменной. Она встроена в мозг по генетическим чертежам.
Жесткие связи нужны, чтобы человек мог дышать, чтобы у него хорошо работал желудок. Ну и, разумеется, чтобы процветали все остальные органы, необходимые для поддержания жизни. Если в мозгу плода не будет жестких межнейронных связей, он сразу же умрет, так и не родившись.
