Лекция на тему: «Мозг и кибернетика» icon

Лекция на тему: «Мозг и кибернетика»


Смотрите также:
Внедрение идей Стаффорда Бира в реальное производство...
Лекция Норберт Винер и его «Кибернетика»...
X-я международной научно-технической конференция «Кибернетика и высокие технологии XXI века»...
План практических занятий по гистологии для студентов 2-го курса лечебного...
Закон питания по потребности. Закон «живой пищи»...
План Общая характеристика общеучебных умений и навыков (оуун) >> Структура оуун >>...
Спецкурс (9 семестр) Специальность «Экономическая кибернетика» из Лекция Системы электронного...
Реферат мозг и память человека: молекулярный аспект...
Спецкурс (9 семестр) Специальность «Экономическая кибернетика» из Лекция Системы класса mrp...
Программа дисциплины по кафедре «Экономическая кибернетика» специальностей «Математические...
Программа дисциплины по кафедре «Экономическая кибернетика» основы управленческого учета...
Программа дисциплины по кафедре «Экономическая кибернетика» организация и планирование...



Загрузка...
скачать


Южный федеральный университет

Открытое акционерное общество КБ «Центр-инвест»


Публичная лекция на тему:

«Мозг и кибернетика»


Лектор: проф. Владимирский Б.М.


г. Ростов-на-Дону

2008


Уважаемые слушатели!

Прежде всего, я хотел бы поблагодарить руководство университета и банка «Центр-инвест» за предоставленную возможность выступить перед вами с публичной лекцией. Мне кажется, что возрождение традиций общества «Знание» в разных формах очень важно с разных точек зрения. Это и повышение общей культуры общества, это и знакомство с новыми перспективными направлениями развития науки, техники , культуры, социальных и экономических технологий, наконец, просто для повышения интеллектуальной температуре в обществе, которое так необходимо сейчас, когда страна столкнулась с очень серьезными историческими вызовами.

Очень удачно, что эта лекция проходит в декабре. Именно в эти дни 60 лет назад, в 1948 г. одновременно в Нью-Йорке и Париже увидела свет книга Норберта Винера "Кибернетика или управление и связь в животном и машине".

Вместе с этой книгой и этим словом "кибернетика" в наш мир 60 лет назад ворвался огромный поток совершенно новых идей и представлений. Кибернетика стала неотъемлемым элементом нашей жизни, и этот окружающий нас кибернетизированный мир и его последствия продолжают создавать ситуацию столь же новую, как и та, что была в далеком 48 году.

Содержание этой книги неотделимо от личности ее создателя. (Слайд1, фото Винера). А личность эта совсем незаурядная. Вундеркинд, в 11 лет закончивший среднюю школу, в 14 завершивший высшее образование, в 17 лет ставший магистром, а в 18 - доктором по специальности "математическая логика", Н.Винер к 25 годам занял место сначала ассистента, а затем профессора в одном из лучших учебных заведений США - Массачусетском технологическом институте,- где и проработал до конца своих дней.

Есть древняя индийская легенда… Всегда находились люди, которые пытались отыскать эту точку опоры, тот фундамент, на котором покоится все знание об устройстве окружающего нас мира. И Винер относился к их числу.

Он, наряду с Бором, Шредингером, Фишером, Колмогоровым и другими стоял у истоков научной революции, итогом которой стала новая, недетерминированная картина мира. И это нашло свое отражение и в некоторой иррациональности поведения и мышления, и в представлениях о некоей хаотичности морали в нашем мире, являющейся, по мнению Винера, следствием роста неопределенности (энтропии) во Вселенной.

Великие ученые, великие изобретатели, великие художники принадлежат не только своей родине, но и всему человечеству, ибо результаты их труда - достояние всех. Имя Н.Винера - замечательного ученого и человека, потомка выходцев из России, пользуется большим и заслуженным уважением в нашей стране с того момента, когда его основополагающие труды в области кибернетики и математики стали доступны широкому кругу специалистов. Причем именно в нашей стране, в конечном итоге, работы Н.Винера получили наибольшее признание и теоретическое развитие. В становлении кибернетики как полноправной науки выдающуюся роль сыграли российские ученые А.И.Берг, А.Н.Колмогоров, А.А.Ляпунов, В.М.Глушков (наш земляк и выпускник физмата Ростовского университета) (Слайд2, фото Глушкова). Именно в их трудах точно сформулирован предмет исследований кибернетики, перечень основных задач, выработана единая терминология и т.д. Ими был заложен тот фундамент, который, в значительной мере, определяет уровень теоретической кибернетики во всем мире.

Кибернетика сейчас - это не просто учение Н.Винера, но общая наука об управлении, и в этой связи должно и пристойно вспомнить не только наших современных ученых, но и отечественных докибернетических кибернетиков, таких как И.В.Вышнеградский, П.Л.Чебышев, А.Н.Крылов, Н.Н.Боголюбов, на труды которых ссылался и Н.Винер.

Несмотря на свой подзаголовок, книга "Кибернетика" не есть научный труд, направленный на поиск аналогий между животными и машинами. Заслуга Н.Винера не в том, что он заметил внешнее сходство в функциях животных и машин. Это делалось задолго до него и просматривается вплоть до Ламеттри и Декарта (уподобление нервной системы телефонной станции или гидравлической сети). И не в том, что он ввел в обиход понятие обратной связи, она была известна в системах для орошения со времен древневавилонского царя Хаммурапи. Его заслуга состоит в демонстрации того, что как животные, так и машины могут быть включены в новый и более обширный класс объектов, отличительной особенностью которых является наличие систем управления, и что о живых организмах, включая человека, и о машинах можно говорить на одном языке, который годится для описания любых телеологических (целенаправленных) систем.

Примерами кибернетических систем могут служить разного рода автоматические регуляторы в технике (например, автопилот в самолете или регулятор, обеспечивающий поддержание постоянной температуры в помещении), электронные вычислительные машины (ЭВМ или компьютеры), человеческий мозг, биологические популяции, человеческое общество. (Слайд 4 Блок-схема кибернетической системы) (Слайд 4а Блок-схема биологической системы управления). Основой функционирования кибернетических систем любой природы являются потоки информации –входной и выходной - протекающие через эти системы. Другими словами, всякая кибернетическая система, может рассматриваться как преобразователь информации. Рассмотрение различных объектов живой и неживой природы как преобразователей информации или как систем, состоящих из элементарных преобразователей информации, составляет сущность так называемого кибернетического подхода к изучению этих объектов. (Слайды 5, 5а Титульный лист и список авторов в EOLSS).

Одним из важнейших достижений кибернетики является разработка и широкое использование нового метода исследования, получившего название вычислительного (машинного) эксперимента, или математического моделирования. Смысл его состоит в том, что эксперименты производятся не с реальной физической моделью изучаемого объекта, а с его математическим описанием, реализованным в компьютере. Огромное быстродействие современных компьютеров зачастую позволяет моделировать процессы в более быстром темпе, чем они происходят в действительности.

Включение человека в одну "компанию" с автоматами – оскорбило в свое время некоторую часть общества и дало повод для мрачных прогнозов, что сразу же сделало кибернетику общественно значимой и обеспечило пристальное внимание к ней.

Сам Н.Винер, включив вопросы управления обществом в область интересов кибернетики, в отличие от части своих не в меру ретивых последователей был очень сдержан в оценке ее возможного значения для политической практики. Он ясно отдавал себе отчет в том, что появившиеся к тому времени и ставшие технической базой кибернетики вычислительные машины могут "усиливать" как наш разум, так и нашу глупость и что главным остается проблема выбора цели - прерогатива человека и сейчас, и в будущем.

Здесь же хотелось бы привести цитату Н.Винера из его работы "Кибернетика и общество (человеческое использование человеческих существ)". (Кстати, иногда полезно не только ссылаться на классиков, но и читать их). Н.Винер писал: "Наука есть способ жизни, который может процветать только тогда, когда люди свободны иметь веру. Вера, которой мы следуем по приказу извне, не является верой, и общество, попадающее в зависимость от подобной псевдоверы, в конечном счете, обречено на гибель вследствие паралича, вызванного отсутствием здоровой, растущей науки" (Слайд 2а).

Прежде всего, какова же ситуация с кибернетикой нынче? От нее ждали слишком многого. Тому виной и неосторожные прогнозы некоторых кибернетиков, охотно подхваченные писателями-фантастами и журналистами. Эти прогнозы породили лавину произведений, где мыслить начинало все: от роботов, выходящих из-под контроля людей, и самоорганизующейся плесени до океана на далекой планете Солярис. Во множестве появились публикации, где обещался переворот в области умственной деятельности - такой же, какой совершили машины, заменившие физический труд. Вот-вот, казалось, должны были появиться компьютерный перевод, распознавание образов, поиск и генерация знаний в базах данных, самообучающиеся автоматы и, наконец, самое главное - искусственный интеллект!

Многое из того, что было обещано на заре кибернетики, не сделано до сих пор. Так не удалось пока реализовать машинный перевод, распознавание речи и ряд других заявленных задач, и из-за этого иногда о кибернетике говорят чуть-ли не как о псевдонауке, подобной астрологии. Однако, на самом деле, надо говорить не об ограничениях кибернетики, как науки, а об ограниченности кибернетиков, не сумевших пока реализовать потенциал кибернетических идей. Но результаты, получаемые в последние годы, внушают осторожный, но достаточный оптимизм.

По моему мнению, о кибернетике можно сказать то, что Дьердь Пойа сказал когда-то о методе Декарта. (Слайд 3) «В намерении, положенном в основу схемы Декарта, можно усмотреть нечто глубоко правильное. Однако претворить это намерение в жизнь оказалось очень трудно: здесь возникло гораздо больше препятствий и осложнений, чем это представлял себе полный энтузиазма Декарт. Проект Декарта потерпел неудачу, однако это был великий проект, и, даже оставшись нереализованным, он оказал большее влияние на науку, чем тысяча малых проектов, в том числе таких, которые удалось реализовать».

Таким образом, кибернетика - это не кладбище с надгробными плитами над навек похороненными идеями, а собрание недостроенных архитектурных ансамблей, многие из которых не были закончены не из-за несовершенства замысла, а из-за технической и экономической несвоевременности. Сейчас нужное время наступает, важно не пропустить окончательно новую эру, подготовиться организационно и интеллектуально. В первую очередь, речь идет о подготовке кадров, способных понять, развить и использовать имеющиеся идеи.


А теперь вообразите, что однажды утром вы просыпаетесь с ощущением, будто ваш мозг пополнился еще одной долей. Эта незримая дополнительная доля головного мозга отвечает на ваши вопросы, сообщая информацию, с которой не под силу справиться вашей собственной памяти, предлагает варианты разумного образа действий, а порой задает вопросы, пытаясь уяснить какие-то важные для дела факты. Эта мечта заставляет обратиться к обсуждению проблем кибернетики и мозга – двух областей, интеграция которых должна привести к созданию такой виртуальной доли - искусственного интеллекта.

Искусственный интеллект - фундаментальная область исследований и разработок, лежащая на стыке кибернетики и науке о мозге. Это не только интеллектуальные программы для распознавания образов или решения логических задач. В первую очередь, это новый подход к пониманию процесса мышления у людей. Результаты в этой области помогут людям оптимизировать этот процесс и, возможно, наиболее обещающим выглядит применение искусственного интеллекта в образовании – программы для ЭВМ помогут учить людей читать, запоминать, мыслить. Станет возможным создание более совершенных хрестоматий для чтения и учебных книг, которые развивали бы у детей способность заполнять тексты деталями, «читаемыми между строк», и таким образом учили бы детей логическому мышлению.

Мозг представляет собой чрезвычайно мощное вычислительное устройство. В коре головного мозга содержится свыше 12 млрд нейронов, каждый из которых соединен с тысячами других. Возможно, все, что мы знаем и умеем – понимание родного языка, планирование поведения и т.д., определяется силой этих связей. Существующие ЭВМ пока сделать этого не могут. Может быть, мы как-то не так составляем программы, так как еще нет понимания того, как воспринимается язык или интерпретируются зрительные образы. Но вероятнее всего, что мозг и компьютер работают совершенно по-разному. Это легко утверждать, но сформулировать, в чем это отличие, понять принципы переработки информации в нервной системе человека значительно трудней, хотя к настоящему времени сделано немало.

Человек способен решать задачи самого различного типа менее чем за 0,5 с, что соответствует, примерно, 100 шагам вычислений. Самые совершенные программы для решения аналогичных задач требует сотен тысяч и миллионов шагов вычислений. Подавляющее число ЭВМ – машины последовательного действия, а мозг – устройство параллельное. Однако в последние десятилетия появились новые параллельные архитектуры и для ЭВМ. В нашей стране такие архитектуры были предложены и реализованы под руководством академика А.В.Каляева, много лет работавшего в Таганрогском радиотехническом университете (ныне - технологический институт Южного федерального университета). Разработка алгоритмов для таких архитектур является важным направлением в искусственном интеллекте, а базируется она на гипотезах о механизмах, которые использует мозг для выполнения параллельных вычислений.

Наука о мозге прошла в своем развитии несколько этапов. И в каждом из них предпринимались попытки соединить факты, получаемые аналитическими методами, с существующими представлениями о работе мозга, как целого. Определяющими представлениями в разные годы были теории работы мозга Декарта, Сеченова, Шеррингтона, Павлова, Бернштейна, Анохина. Некоторые из имеющихся фактов и представлений о функциях мозга могут быть объяснены в рамках условно-рефлекторная парадигмы.

Более продвинутой, чем условно-рефлекторная теория, является теория функциональных систем АнохинаП.К. (Слайды 6, 6а Фотография Анохина, Блок-схема функциональной системы). Она позволяет на современном уровне знаний найти адрес каждому изучаемому явлению в целостной картине деятельности мозга и объединить данные от молекулярно-генетических до поведенческих в единую логическую информационную картину.

Реальный мир и взаимодействующий с ним мозг, по представлениям Анохина, устроены так, что при определенном наборе входных сигналов и соответствующих им действиям становится возможным запоминание повторяющихся траекторий поведения. Это является определяющим для формирования способности к предвидению будущих событий, важных для выживания организма.

Кибернетика и наука о мозге взаимно оплодотворяют друг друга. Чем больше удается узнать о функционировании мозга, тем лучше мы начинаем понимать, каким образом организм обучается на основании собственного опыта, ищет и находит цель, приспосабливается к окружающей среде.

В настоящее время есть много впечатляющих примеров использования кибернетических принципов и фактов из нейробиологии, которые позволили лучше понять как устроены и работает ЦНС животных и человека, а также создать ряд интересных приложений. Разрешите это проиллюстрировать несколькими примерами из работ, выполненных в НИИ нейрокибернетики им. А.Б.Когана ЮФУ. (Слайды 7-9 Сжатие информации, Обнаружение и различение сверхкоротких сигналов , нейронная сеть для робототехники).

Кибернетика позаимствовала нейрофизиологические модели для развития строгой теории о надежности и оптимальной структуре систем принятия решения. В свою очередь, кибернетические модели оказываются принципиально важными при рассмотрении многих аспектов организации взаимодействий в мозгу человека, в частности, при проверке возможных вариантов модификации функционального состояния с использованием лекарств или других физиотерапевтических воздействий.

Когда-то создатель теории информации Клод Шеннон ввел в научный обиход термин Serendipity, обозначающий способность находить совсем не то, что ищешь, а нечто еще более интересное. Именно это имеет место, когда речь идет о результатах взаимодействия кибернетики и нейронаук. Как говаривал Вини-Пух: «Если мы будем искать эту Яму, то мы ее обязательно не найдем, и тогда мы, может быть, найдем то, что не ищем, а оно-то и есть, что мы на самом деле ищем».

Очень показательный пример – разработка хирургического метода лечения тяжелых форм болезни Паркинсона, выполненная в Институте Экспериментальной Медицины в бытность там директором Бехтеревой Н.П. выходцем из Ростовской нейрохирургической школы, профессором Канделем Э.А. Нейрокибернетическая идея состояла в следующем.

Каждый из нас когда-то слышал, как звук радиоприемника превращается в «свист». Это, как установили специалисты, связано с тем, что в одном из радиотехнических контуров возникает паразитная обратная связь, вызывающая нежелательный эффект. Чтобы избавиться от него, необходимо такую связь разорвать. Было сделано предположение, что именно такая «паразитная» обратная связь имеет место в мозгу страдающего паркинсонизмом человека, и она вызывает сильную судорожную активность. И тогда возникла идея разорвать непосредственно в мозге эту обратную связь. Это делается каплей жидкого азота, которая в ходе нейрохирургической операции подводится к соответствующему нервному образованию и выжигает небольшой участок нервной ткани, разрывая возникшую паразитную обратную связь и прерывая патологический процесс в его крайнем проявлении.

Из множества взаимных пересечений проблем кибернетики и мозга мы остановимся только на нескольких: проблема межполушарной асимметрии, информационные воздействия на мозг, мысленное управление (интерфейс «мозг=компьютер»).

Нервная система состоит из двух частей – центральной и периферической. ЦНС, в свою очередь, состоит из головного и спинного мозга, занятых, в основном, переработкой информации. При изучении головного мозга принципиальными являются две проблемы.

  1. Как сигналы проходят по отдельным нервным клеткам и как они передаются с одного нейрона на другой?

  2. Как соединения нейронов обеспечивают реализацию функций, таких, например, как нажатие на тормоз водителем при виде красного сигнала светофора?

Достаточно часто о мозге рассуждают, как о компьютере только построенном не из кремния, а из других материалов. Это полезно, так как позволяет с помощью моделей, рассматривающих мозг как вычислительное устройство, проверить ряд гипотез о том, как реализуются те или иные функции. Эти модели базируются на твердо установленных фактах, что отдельные нейроны генерируют и перерабатывают дискретные сигналы (импульсы), а мозг в целом производит своеобразные вычисления, которые могут имитироваться с помощью ЦВМ. Однако по целому ряду других значимых параметров мозг существеннейшим образом отличается от ЭВМ и приравнивать его к вычислительной машине, конечно же, нельзя.

Основная функция мозга состоит в координации деятельности одной части тела с другими и с окружающей средой. Упрощенная схема такого управления выглядит следующим образом (Слайд 10 Обобщенная блок-схема биологической системы управления)

Сигналы от ------ Обработка ------ Двигательные ------ Эффекторы

органов сенсорных

чувств сигналов


Сигналы

Из памяти


К ней надо добавить блок ассоциативных или «молчащих» зон, занятых более сложной переработкой сигналов, в том числе такими высшими функциями, как память, научение и мышление. Зоны называются «молчащими», потому что их раздражение не вызывает двигательной активности, но может привести к зрительным или слуховым ощущениям.

(Два небольших отступления. В качестве сигнала может выступать и слово. Слово может приводить к стрессу, который по своей природе является двигателем прогресса. Да, да, именно так – двигателем прогресса, так как его действие на заре эволюции человека привело к появлению неспецифического приспособления – интеллекта, которое только усилило давление стресса, но способствовало процветанию человеческого рода. Вспомните об этом, когда вам нагрубят в автобусе или в магазине.

И еще. Очень слабый электрический стимул, воздействующий на определенный участок мозга, может заставить испытуемого поднять руку. Для экспериментатора это движение будет вынужденным, но испытуемый будет настаивать, что он сам захотел и поднял руку. Это к вопросу об ощущении свободы и свободе воли.)

В настоящее время при создании систем управления робототехническими системами используются комплексы, состоящие из двух ЭВМ. (Слайд11 Схема управления роботом с билатеральной симметрией, Слайд12 Схема двумашинного комплекса, моделирующего языковые функции). Соотношение между частями этих комплексов оказывается сходным в определенном смысле с тем разделением функций между полушариями, которое выявлено в физиологических и психологических исследованиях. Поэтому становятся возможными достаточно обоснованные аналогии между мозгом и машиной применительно ко всей систем в целом и ее организации. Такое сравнение интересно тем, что оно может пролить свет на роль разных полушарий мозга в таких важнейших формах человеческой деятельности, как язык, математика, музыка.

Одно из полушарий мозга, управляющее звуковой речью, по своему происхождению оказывается более молодым, чем полушарие, связанное с передачей информации посредством зрительных и пространственных образов.

В двумашинных (двуполушарных) комплексах каждая из частей решает свою собственную задачу: более общую – планирование, и конкретную, связанную с организацией движения в реальном пространстве-времени. В свою очередь, каждая из таких частей может иметь при себе подсобные специализированные устройства (отделы). Поэтому представляет значительный интерес и то, как организовано в реальной нервной системе такое деление, и то, как объединяются между собой разные специализированные устройства.

Исследования и моделирование функциональной асимметрии мозга науки о человеке сближают науку о мозге и кибернетику с другими областями знания, где проблемы симметрии и асимметрии становятся все более значимыми.

Сравнение машин с левым полушарием позволяет лучше понять некоторые его особенности и в то же время задуматься над свойствами правого полушария, моделирование которого сулит переворот в кибернетической теории и в практике построения принципиально новых вычислительных машин, которые будут выполнять естественные операции с образами, понятиями и смутными аналогиями, а не последовательные операции с числами.

Создание «правополушарного» компьютера возможно в рамках междисциплинарного проекта, требующего развертывания научных исследований и подготовки специалистов в области нейробиологии, вычислительной нейронауки, структурной лингвистики, компьютерных наук, вычислительной техники и микроэлектроники.

Первая глава «Кибернетики» Н.Винера называется «Время Ньютона и время Бергсона». Почему такое внимание проблеме времени в науке об управлении?

Восприятие времени – осознаваемая человеком продолжительность того или иного события - является уникальной перцепцией. В организме человека нет ни специальных рецепторов, ни органов и не возникает каких-либо непосредственных ощущений, связанных со временем.

В то же время, многочисленными экспериментальными исследованиями убедительно показано, что психологические особенности течения времени у разных людей, несомненно, существуют. Да и каждый из нас имеет собственный опыт разного течения времени, когда проводишь время с интересным собеседником или ожидаешь в приемной начальника. Собственное психологическое и физиологическое время лежат в основе информационных воздействий на мозг и являются главными мишенями при управлении состоянием и поведением человека.

Есть свидетельства об использовании информационных воздействий уже в некоторых архаичных обществах. Там они носили магический смысл, а древние люди полагали, что своей жизнестойкостью и успехами они обязаны именно этим информационным воздействиям. Неврологические и биохимические особенности, на которые такие информационные воздействия могли бы опираться, одинаковы у всех людей, поэтому можно предположить, что они использовались во всех человеческих культурах и были связаны с массовыми видами общественной и культурной деятельности, в первую очередь с такими, которые связаны с биологическими процессами (половой инстинкт, рождение, смерть и т.д.). Воздействия, о которых идет речь, представляли собой в первую очередь ритмические слуховые и зрительные образы, а также движения, сдвигающие, как это теперь установлено, психологическое и физиологическое время.

Главное, что достигается при использовании такой стимуляции, это синхронизация корковых ритмов в обоих полушариях и поддержание, таким образом, согласованности биологических и социальных ритмов. Если в дополнение к такой стимуляции использовать особые вынуждающие приемы, которые обостряют чувствительность нервной системы и настраивают ее так, чтобы уменьшить подавление правополушарной активности и сделать возможным ее временное преобладание, то возникает чувство благополучия и облегчения, ослабляются длительные или интенсивные стрессы. Усиление роли тормозных процессов в низших отделах ЦНС способствует появлению транса, экстаза, одержимости и т.д. (Кстати, имеет право на жизнь точка зрения, согласно которой высшие четко определенные, обособленные, логические формы интеллекта с необходимостью выводятся из весьма сложных и более общих низших его форм и даже управляются этими последними). Отзвуки тех давних приемов информационного воздействия на людей встречаются и в наше время в некоторых архаичных (и не только) обществах во всех уголках Земли.

Управляемые поведенческие реакции можно получить, подбирая внешние периодические воздействия в диапазоне от долей до десятков герц, скоррелированные с внутренними ритмами организма человека. С этим диапазоном связан ряд электромагнитных полей космического и планетарного происхождения, обладающих большой информационной и биологической значимостью, вот почему по отношению к ним в процессе эволюции у всех живых организмов сформировались механизмы повышенной чувствительности.

К управлению поведением, как отдельного человека, так и групп людей прямое отношение имеют также специально организованные информационные воздействия, приводящие к феноменам мистического сознания. Для такого состояния характерны потеря чувства личности при сохранении сознания, трансцендентальность времени и пространства, парадоксальность действительности и т.д.

Здесь следует отметить, что феномены мистического сознания служат обоснованием целого ряда заблуждений, а порой и прямого шарлатанства. С другой стороны неприятие существования такого феномена, как такового, со стороны представителей «официальной» науки затрудняет его научное исследование и использование как уникальной модели для изучения внутренних механизмов самосознания.

(Заметим здесь в скобках, что так же как слепому от рождения человеку нельзя передать ощущение цвета, например, красного, так и человеку, никогда лично не испытавшему биотропного информационного воздействия, нельзя объяснить новые необычные формы восприятия, возникающие при этом.) То, каким нам видится окружающий мир, зависит от типа нервной системы, которую мы получили при рождении. Если хоть немного и на время изменить нервную систему, а именно это и происходит при действии информационных сигналов определенного вида, окружающий нас внешний мир тоже изменится. Вообще говоря, далеко не все то, что люди не знают, не сознают и не воспринимают, как формы внешних вещей, представляет собой выдумку. Точно так же, отсутствие знания о носителе информации, неумение выделить физический процесс, выступающий в роли такого носителя, не может служить достаточным основанием для отрицания самого факта передачи информации.

Рассматривая другие пути информационного воздействия на человека, следует обратить внимание на то, что важную роль в информационных процессах у людей играет канал связи между двумя половинами мозга. У взрослых он сужается и расширяется только во сне. Если научиться воздействовать на этот канал, модифицируя процесс формирования временных связей, т.е. изменяя течение физиологического времени, (научиться слушать «третьим ухом»), то появится новая возможность информационного воздействия на поведенческие функции человека. (Кстати, “предсказания” болезни, делаемые по содержанию сновидений, можно объяснить тем, что весьма слабые, подпороговые, обычно не замечаемые раздражения от постепенно развивающегося болезненного процесса могут стать ощущаемыми во время парадоксальной фазы сна).

Еще один путь управления состоянием - целенаправленное использование особенностей полушарий мозга человека. Другими словами, необходим перенос направленности информационных воздействий “из левой руки в правую”. Конкретно это может выглядеть как приемы, направленные на максимальную загрузку всех каналов прямолинейно-рассудочной деятельности. В этом случае начинает работать интуиция, которой под силу интегрировать очень большие объемы информации низкого качества.

Еще один способ информационного воздействия на поведенческие функции организма, особенно детей, состоит в использовании стимуляции ритмическими вербальными слуховыми образами с периодом, равным актуальному настоящему (длительность периода около 3 с). Лучше всего такая ритмика проявляется при чтении вслух стихов. Поэтому детей в процессе роста и развития следует регулярно и достаточно длительно подвергать действию хороших рифмованных стихов. Такое слуховое «принуждение» приводит к более тесному взаимодействию обоих полушарий мозга, выравнивая уровень их активации. При этом низшие отделы ЦНС стимулируются таким образом, что приводят организм к физиологической гармонии.

Возможно, что сокращение в образовании элементов систематического стихотворного принуждения, делает человека более восприимчивым к примитивным, нарочито упрощенным ритмам тоталитарных лозунгов и рекламного жаргона, способствует современному засилью политической и экономической мотивации поведения.

Как сказал поэт и нобелевский лауреат Иосиф Бродский: «Не читая стихов, общество опускается до такого уровня речи, при котором оно становится легкой добычей демагога или тирана».

Возможность использования информационных воздействий, неосознаваемых человеком, вызывает наибольшую тревогу у широкой общественности и приводит к излишне эмоциональным обсуждениям в средствах массовой информации возможностей «модификации поведения» и создания «психотронного» оружия.

Однако надежды и страхи, связанные с представлениями о контроле за поведением, представляются сильно преувеличенными. Сам факт существования познавательной активности предполагает, что манипулирование поведением, как правило, не может быть эффективным, так как оно не приводит к получению систематически предсказуемых результатов при условии нормального развития в рамках данной культуры.

Возвращаясь к обсуждению эффектов информационных воздействий на нервную систему человека отметим, что в период активации нервные элементы становятся функционально независимыми друг от друга, а собственное системное время на какой-то промежуток астрономического времени исчезает. При этом возможны интересные следствия, имеющие отношение к психике и сознанию. Так, при некоторых экстремальных условиях (жар, наркотики, повреждение мозга) перестает быть возможной синхронизация внутри отдельных анализаторов и между ними, так что возникают странные симптомы, такие как фрагментарность восприятий, инверсия отдельных частей, разобщение цвета и формы и т.д. Аналогичные эффекты становятся возможными и при специально организованных информационных воздействиях, в том числе и подпороговых, ориентированных на правое полушарие.

Анализируя имеющиеся настоящему времени факты следует помнить слова Д.И.Менделеева: (Слайд 13 «Эти явления не должно игнорировать, а следует точно рассматривать, то есть узнать, что в них принадлежит к области всем известных естественных явлений, что к вымыслам и галлюцинациям, что к числу постыдных обманов, и, наконец, не принадлежит ли что-нибудь к разряду ныне необъяснимых явлений, совершающихся по неизвестным еще законам природы»).


Несомненно, развитие нейрокибернетики приведет к новым способам использования потенциальных возможностей мозга, что, в свою очередь, будет способствовать глубоким изменениям человеческого общества. Возможно, что с использованием нейроинформационных воздействий будет найден подход, сопоставимый по своим социокультурным последствиям с изобретением письменности.

Теперь еще об одной чрезвычайно важной на мой взгляд проблеме, тесно связанной с кибернетикой и нейробиологией. Последние два десятилетия во многих развитых странах интенсивно ведутся исследования и разработки, направленные, в первую очередь, на создание методов и средств, которые могут позволить людям с тяжелыми двигательными нарушениями, например, с церебральным параличом управлять курсором на экране компьютера или использовать виртуальные клавиатуры. В качестве аппаратной основы для реализации таких технологий, как правило, используются инфракрасные стереокамеры, отслеживающие движения глаз больного человека.

Однако существует ряд ситуаций, когда требуется возможность мысленной подачи команд, например, при управлении больным человеком инвалидной коляской, на которой он сидит. О том, что выработка таких команд возможна, в принципе, было показано в экспериментах на животных (обезьянах и крысах), когда, используя электрическую активность нервных клеток мозга таких животных, стало возможным управлять движением механического манипулятора. (Слайды 14-16). Однако вживление электродов в мозг человека возможно только по клиническим показаниям, поэтому необходимо искать другие, неинвазивные способы для отслеживания мысленных команд.

Наиболее пригодной для этих целей является электрическая активность мозга человека, регистрируемая в виде электроэнцефалограммы (ЭЭГ). И подавляющее число публикаций и патентов в области создания интерфейса «мозг-копьютер» (ИМК) связаны с регистрацией и использованием тех или иных алгоритмови анализа ЭЭГ. Есть, правда, небольшое число работ, в которых показано, что с использованием функциональной магниторезонансной томографии можно различать отдельные слова, мысленно проговариваемые испытуемыми, отличать правдивые ответы от лживых. Однако перспективы использования томографических методов для решения практических задач, связанных с таким интерфейсом для больных людей, в обозримом будущем не существует.

Использование традиционных подходов к анализу ЭЭГ, ввиду ее сложности и неоднозначности, создает серьезные проблемы при необходимости идентификации мысленных команд за приемлемое время. Эти подходы были разработаны для интегральной оценки функционального состояния мозга человека и мало приспособлены для тонкой дифференцировки паттернов, имеющих отношение к мысленным командам. Существует точка зрения, что такая дифференцировка, в принципе, невозможна, так как ЭЭГ отражает усредненную электрическую активность очень больших нейронных популяций, из которой нельзя выделить инварианты, отражающие определенные фиксированные мысленные команды.

Я думаю, что создание интерфейса «мозг-компьютер» с использованием ЭЭГ для мысленного управления в реальном масштабе времени возможно уже в ближайшее время (1-3 года). Эта уверенность базируется на анализе большого числа публикаций, в которых описаны данные экспериментов и наблюдений, проведенных в разных лабораторях мира и имеющих отношение к проблеме ИМК. Так, в частности, показано, что моторная деятельность, в том числе, мысленное проговаривание команд, сопровождается усилением специфической по своим характеристикам высокочастотной (гамма) активности в пределах областей коры, ответственных за воспроизведение речи и реализацию двигательных реакций конечностями. После обучения на разные стимулы наблюдается четкое различие форм волн, если дается правильный двигательный ответ.

Самые разные восприятия через нервные центры связаны с одними и теми же моторными механизмами, поэтому в этих восприятиях выделяются инварианты. Такие же инварианты должны быть выделены и в ЭЭГ-активности.

Можно предположить, что актуализация мысленных команд, непосредственно связанных с вербальными воспоминаниями, вероятно, осуществляется одним и тем специфическим узором биоэлектрической активности разных областей мозга. Организация и параметры двигательной активности для существенно различающихся образов моторных команд (длина проговариваемого слова, его спектральный состав, реализация движения правой, левой или обеими конечностями и др.) существенно различаются как по своим топографическим, так и другим (частотным, временным) характеристикам. Последнее может обеспечить надежную идентификацию управляющих паттернов для сопряжения мозга человека с ПЭВМ.

Факты, о которых идет речь, получены в результате апостериорного анализа биоэлектрической активности. Поэтому, чтобы воспользоваться ими для реализации ИМК, работающего в реальном масштабе времени, необходимо разработать новые подходы к анализу ЭЭГ и реализовать соответствующие алгоритмы.

В настоящее НИИ нейрокибернетики им.А.Б.Когана ЮФУ выполняет грант Агентства по науке и инновациям РФ «Создание методов сопряжения сигналов мозга здорового и больного человека с компьютером для обеспечения невербальной коммуникации»

Подход, который мы используем, базируется на представлении о физиологическом времени, позволяющем по-новому подойти к выявлению информативных паттернов ЭЭГ-активности для любых видов когнитивной деятельности, в том числе, и тех, которые возникают при мысленном представлении тех или иных моторных действий. При этом предлагаемые алгоритмы анализа не ориентированы на классические частотные диапазоны ЭЭГ-активности, используемые в известных нам подходах и решениях при создании ИМК.

Для обеспечения требуемой надежности воспроизведения мысленных команд необходимо учитывать индивидуальные особенности отдельных людей и тот факт, что у одного и того же человека имеет место значительная вариабельность ЭЭГ-активности в зависимости от функционального состояния. С этой целью базы данных реализаций ЭЭГ и вызванной активности отдельных испытуемых в разных функциональных состояниях, полученных в многократно проводимых сеансах обучения с биологической обратной связью должны быть подвергнуты анализу с использованием обучаемых нейронных сетей. В ходе такого анализа для каждого испытуемого возможно получить инвариантные характеристики ЭЭГ, которые затем используются для настройки классификатора, используемого в качестве интерфейса между мозгом чело-

века и компьютером.
И еще одна нейрокибернетическая проблема, имеющая принципиально важное значение для обеспечения качества жизни. Это проблема боли.

Боль представляет собой неприятное ощущение, возникающее в результате сложного взаимодействия между сенсорными и когнитивными механизмами. Хроническая боль, вызванная болезнью или травмой, затрагивает почти каждого пятого человека и является огромным бременем для индивидуума и общества. Ключевая особенность хронической боли – повышение чувствительности сигнальных систем, приводящее к боли от воздействия стимулов, обычно не являющихся болезненными. Такие сенсорные изменения могут иметь место не только в травмированные областях, но и в окружающих их нормальных тканях. Это и другие наблюдения приводят к предположению о том, что повышение чувствительности происходит как в собственно чувствительных к боли терминалях, так и внутри ЦНС. (Рис.17 Схема из постера) На рисунке рассмотрены последствия приложения неприятного стимула к руке нашего незадачливого строителя, от начала сенсорной цепочки до восприятия боли. Сейчас уже достаточно подробно исследованы структурные и функциональные элементы, присутствующие на различных уровнях системы восприятия боли, а также некоторые изменения, имеющие место в состояниях хронической боли. Этот рисунок отражает основной уровень имеющихся представлений о механизмах боли, когда основное внимание уделяется потоку информации от периферии к ЦНС, хотя хорошо известно, что высшие центры мозга оказывают и тормозное, и возбуждающее воздействие на низшие центры. Необходимо построение функциональной кибернетической модели, учитывающей контура прямой и обратной связи, на которой можно проверить существующие гипотезы и перейти, с одной стороны, к разработке новых, лучше помогающих болеутоляющих агентов, а с другой – предложить принципиально новые подходы к купированию боли. Решение подобной задачи представляет собой вызов для следующего десятилетия.

В настоящее время Южный федеральный университет подал заявку на проведение НИОКР по теме «Исследование и моделирование нейрофизиологических механизмов управления порогами болевой чувствительности неинвазивными и немедикаментозными методами», базирующуюся на результатах фундаментальных исследований НИИ нейрокибернетики им. А.Б.Когана ЮФУ.

В этой лекции, я рассказал о нескольких из большого числа необычайно интересных и не полностью решенных задач существующих на стыке кибернетики и нейробиологии. Задач, которые предстоит решать, используя достижения разных наук. А именно наличие нерешенных проблем является лучшим стимулом для развития науки организации опережающей подготовки специалистов.

Заканчивая лекцию, я отдаю себе полный отчет, как много интересного осталось за бортом. Вероятно, не только ограниченность во времени, но и ограниченные способности лектора лишили вас, уважаемые слушатели, удовольствия лишний раз задуматься или улыбнуться.

Тем не менее, если кое-что из того, о чем здесь говорилось, было для вас новым, и вы, также как и я, прониклись пониманием важности и перспективности научных исследований и подготовки специалистов на стыке кибернетики и нейробиологии, т.е. в области нейрокибернетики, я буду считать свою задачу выполненной и надеяться на будущие встречи.

А теперь, как говаривал ослик Иа из сказки о Винни-Пухе, если кто-то намерен аплодировать, то время настало.


Благодарю за внимание.


Рассказывают, что на одном из тихоокеанских островов местные аборигены научились ходить по зыбучим пескам. Их метод состоит в том, чтобы ступать легко и быстро, не допуская, чтобы полный вес долго приходился на одну точку. Я хочу использовать такую же технологию и предложить вам рассказ о необыкновенно интересных и важных проблемах, не задерживаясь надолго ни на одной из них и опуская множество деталей, но пройдя тему от начала и до конца.

С самого начала хочу отказаться от какой-бы то ни было претензии на исчерпывающую полноту изложения проблемы «Кибернетика и мозг», так как энциклопедическое обозрение этой проблемы вряд ли по силам одному человеку. Поэтому в дальнейшем излагается моя личная точка зрения о перспективах этой междисциплинарной области знаний как в области фундаментальных и прикладных исследований, так и на путях подготовки специалистов.






Скачать 269,53 Kb.
оставить комментарий
Дата29.03.2012
Размер269,53 Kb.
ТипЛекция, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

Ваша оценка этого документа будет первой.
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх