Аркадий Воловник - Знакомьтесь, информационные технологии
• излучение электрического немодулированного сигнала;
• модуляцию сигнала (насыщение информацией);
• передачу модулированного сигнала без потерь и изменений формы сигнала;
• прием и установление соответствия сигнала исходному объекту.
Элементы, позволяющие выполнять данные функции при представлении информации в электрической аналоговой форме, в живых организмах пока не обнаружены, и возникают сомнения в том, что упомянутый способ представления информации используется в каких-либо биологических объектах.
Для работы с импульсными сигналами требуются существенно более простые элементы. Импульсная электрическая бинарная форма представления информации используется, в частности, в зрительной системе животных. Информация последовательно проходит по цепочке: исходный объект – рецепторы сетчатки глаза – зрительный нерв – ЦНС (структуры зрительного анализатора). Первый вид информации (оптическая, электрохимическая) преобразуется в сетчатке глаза, состоящей у человека из порядка 10 х рецепторных элементов (колбочек и палочек). Каждый из нейронных элементов сетчатки реагирует на одну «деталь» исходного объекта, который как бы расчленяется на отдельные части. Колбочки и палочки в сочетании с сопряженными с ними чувствительными нейронами реализуют бинарную логику: выдают или не выдают электрический импульс в зависимости от конкретных характеристик объекта.
Зрительный нерв, обеспечивающий связь сетчатки с ЦНС, можно представить как линию связи, по которой передается двоичное многоразрядное «слово». В данном случае имеет место параллельная передача информационного сообщения, представленного электрическими сигналами в импульсной бинарной форме. Реально при обработке визуальной информации существует параллельно-последовательная передача: как правило, глаз последовательно фиксирует несколько локальных фрагментов объекта, которые последовательно обрабатываются сетчаткой глаза и передаются по зрительному нерву. Полный образ представлен в виде набора из нескольких «слов», имеющих длину порядка 108 двоичных разрядов каждый.
Другой вид электрической бинарной формы представления информации обеспечивает связь между нейронами. Возбуждение и торможение нейрона происходит при появлении «единичных» электрических сигналов в дендритах данного нейрона. Это напоминает работу триггера с определенной «входной логикой», позволяющей изменять внутреннее состояние при различных наборах входных электрических сигналов.
Для нейрона «входными» сигналами являются электрические импульсы, пришедшие от других нейронов. Вариации «входной логики» работы нейрона реализуются за счет различной геометрии дендритов, которая существенно влияет на временные и электрические характеристики сигналов. Однако триггер хранит только один бит информации. В нейроне не обнаружен механизм, позволяющий хранить многобитовую информацию в виде набора бинарных импульсов. Можно считать, что импульсная бинарная электрическая форма представления информации используется в ЦНС человека для передачи отдельных многобитовых сообщений или для управления состоянием нейрона, но не для долговременного хранения информации.
В макромолекулах белков можно записать практически неограниченный объем информации [136] , что определяется разнообразием геометрических форм молекул, образующихся в результате синтеза. Информация, представленная в молекулярной форме, не требует энергии для хранения. Передача информации и процесс запоминания потенциально могут реализовываться химическим путем за счет межклеточного и внутриклеточного перемещения и взаимодействия молекул. Совокупность этих процессов имеет длительность, существенно превосходящую время запоминания и узнавания человеком какого-либо объекта. Поэтому, если хранение информации в виде сложных макромолекул представляется возможным, то передача и считывание информации внутри ЦНС только в молекулярной форме, по-видимому, маловероятны.
В природе известна механическая форма представления информации, использующая высокочастотные механические (ультразвуковые) колебания. Многие живые организмы (летучие мыши, китообразные и др.) излучают вовне ультразвуковые колебания, которые, отражаясь от препятствий, модулируются. Принятые отраженные сигналы используются для распознавания объекта. Скорость перемещения и затухания ультразвуковых волн существенно зависит от свойств среды – чем выше ее плотность, тем больше скорость распространения ультразвука и меньше затухание. Внутри нервной ткани может быть реализована механическая форма представления информации, ибо подавляющее большинство белковых молекул под действием электрического потенциала ведут себя как диполи: они колеблются, создавая ультразвуковые волны; в нейронах, как и в других клетках, существуют быстровращающиеся молекулы и надмолекулярные структуры. Используя различные формы представления информации, потенциально реализуемые в ЦНС, построим модель обработки информации в мозге. Процесс обработки информации в ЦНС трудно описать в терминах и понятиях современной информатики из-за неалгоритмичности организации обработки и неразрывности процессов хранения и преобразования информации, что характерно для ЦНС и нетипично для ЦВМ.
Запоминание «без» памяти
Запоминание — бессознательный процесс, позволяющий фиксировать в нейронной сети информацию в виде отдельных образов, которые, кстати, могут быть не связаны между собой. Информация поступает от органов чувств как отображение реальных объектов.
При запоминании информации последовательность ее движения можно представить следующим образом: орган чувств – предварительная (кратковременная) память – выбор нейрона из запоминающей среды для долговременного хранения информации – передача из кратковременной памяти к выбранному нейрону – собственно запись. Если необходимо вспомнить (воспроизвести) какую-либо информацию, после чего из нейронной сети выбирается нейрон, содержащий затребованные данные, а затем считывается информация из нейрона и необходимые данные передаются и принимаются в соответствующую часть ЦНС.
Считается, что в предлагаемой модели непосредственная запись информации происходит в результате химических реакций, приводящих к синтезу белковых молекул. На одну молекулу можно записать информацию, объем которой измеряется миллионами бит. Будем называть вращающуюся в нейроне молекулу с записанной информацией «белком-хранителем информации» (БХИ). В нейроне имеется также «белок – источник высокочастотных колебаний» (БИК), молекула которого колеблется под влиянием внутринейронного электромагнитного поля. Эти колебания «облучают» вращающийся БХИ, и при их отражении происходит модуляция колебаний, зависящая от топологии БХИ. Информация переходит в форму высокочастотных колебаний, которые выводятся за пределы нейрона и поступают в «магистраль передачи» информации. В результате реализуется переход от химической формы к ультразвуковой, от хранения к передаче информации. На рис. ПЗ схематично показано считывание информации из нейрона. Мы использовали следующие обозначения:
1. Сома нейрона.
2. Аксон.
3. Вибрирующий БИК.
4. Вращающийся БХИ.
5. Глиальные клетки.
6. Упорядоченные БТИ.
7. Ультразвуковые волны, излучаемые БИК.
8. Модулированные колебания, отраженные от БХИ и поступающие в тракт передачи информации.
Рис. ПЗ. Считывание информации из нейрона
Остается открытым вопрос о том, какая часть нейронов ЦНС реализует функцию хранения информации: в каких популяциях нейронов размещены молекулы – хранители информации. Будем использовать понятие «запоминающая среда», указывающее на совокупность нейронов (вне зависимости от их локализации в мозге), содержащих БХИ.
В процессе запоминания или распознавания образа участвуют одновременно многие нейроны, «работающие» параллельно друг с другом. Информация обычно не попадает сразу от одного источника-нейрона во все «работающие» нейроны, а проходит через сотни и тысячи нейронов по тракту до приемника информации. Рассмотрим временные характеристики передачи информационных сигналов внутри и между нейронами. Известны следующие временные параметры, характеризующие распространение электрического потенциала в ЦНС:
• скорость распространения импульса вдоль нейрона (аксона) – 30 м/с;
• время перехода потенциала через электрический синапс – 10-5 с;
• время перехода потенциала через химический синапс – 10-3 с.
Если принять размер нейрона (с учетом аксона) равным 10-4 м, то время распространения электрического потенциала (одного бинарного импульса) вдоль нейрона составит 5х10-5 с. При электрическом синапсе время задержки сигнала на одном нейроне (переход через один синапс и движение вдоль нейрона) составит 1,5х10-5 с. При химическом синапсе время задержки будет определяться практически только переходом через синапс [137] .
