Реализация синтеза информации в мозге

Реализация синтеза информации в мозге

Мозг анатомически возник на основе случайностей группировки нейронов. Предыстория жизни вводит иерархию функционально разных его отделов. Принцип работы мозга есть иерархический синтез информации, включающий в себя принцип максимума производства энтропии. Кора головного мозга есть старшая ступень в этой иерархии. Мозг работает с функциями распределения, задающими величину энтропии-информации. Острота её экстремумов определяет детерминизм разума. Связь мозга и метаболизма не только электрическая, но и химическая - нейромедиаторы в вегетативной системе и в высшей нервной деятельности преимущественно одинаковы. Человека разумного создали условия положительной корреляции действия андрогенов на рост мозга и плодовитость в условиях случайностей прогрессирующей недоношенности плода. Закономерность существования человека задана тем, что он реализует новую ступень иерархии энтропии-информации, невозможную для его предшественников - животных.

Корреляция между принципами анатомического образования и принципами работы мозга

Сначала повторю промежуточные итоги. Электрическая составляющая при производстве энергии для метаболизма обязательна и содержит избыточность. Диссипация излишней энергии неизбежна. Она есть причина существования нервных систем и мозга. Их основу составляют специализированные клетки - нейроны. Метаболизм нейронов приводит к накоплению на их мембранах электрической энергии. Ветвление нейронов возникает как результат вклада электрической энергии в их энергию формы. Расходование накопленной электрической энергии не предполагает цели. В нейронах оно происходит путём деполяризации мембран. Любые взаимодействия тел и процессов в природе включают в себя волны. При деполяризации мембран нейронов это есть электромеханическая волна - нервный импульс.

Общие принципы энергетики жизни и биохимический принцип структурной комплементарности гарантируют возможность “передачи” с помощью электрических импульсов веществ - нейромедиаторов. Реализует эту возможность химический синапс. Нейромедиаторы и химический синапс вводят “аппаратурную” особенность нервных систем и мозга, которой нет в современных компьютерах: циркулирующие в объёме организма вещества - нейромедиаторы - способны за счёт изменения своей концентрации влиять на пороги срабатывания при передаче нервных импульсов через химический синапс. Нейрон как аппаратурный элемент вычислительной системы в десятки и сотни миллионов раз отстаёт по параметрам от элементов современных компьютеров.

Теперь, используя рассказанное выше о глазах и их сетчатке, пора ответить на вопрос - почему нервные системы и мозг столь эффективно работают на основе элементов, крайне несовершенных в сравнении с современными компьютерами?

При ответе надо учесть, что клетки в организме группируются случайно в пределах ограничивающих условий. Например, они могут иметь осевую симметрию и сохранять её в процессе упаковки в слои и органы. Так группируются мышечные волокна или фоторецепторы сетчатки глаза. Случайность их взаимного расположения имеет в качестве условия эту симметрию, но в остальном остаётся случайностью - слои как отражение осевой симметрии каждой клетки сочетаются со случайностью распределения их в каждом из слоёв. Это характерная особенность упаковки многих видов клеток в мозге.

Мозг в своей анатомии и в работе не может “бороться” против случайностей. Они должны быть основой его структуры и функционирования. Это возможно, если принципы работы мозга основаны на синтезе информации (см., главу I). Для того, чтобы мозг его мог осуществить, входные сигналы для него должны быть случайностями, ограниченными условиями. Обработка этих сигналов должна включать определение экстремумов энтропии-информации и её производства. Они должны запоминаться. Для такого синтеза информации случайность анатомической упаковки клеток становится необходимым условием работы мозга как единого органа. Рассмотрю синтез информации в мозге.

Для определённости использую пример сигналов от сетчатки глаза как входных для мозга. Как было показано в главе VIII, неустранимо ответ сетчатки глаза на спроектированное на неё изображение есть случайные сигналы, описываемые их функцией распределения. Их конкретный вид зависит от объектов, спроектированных на сетчатку, и условий взаимной оптической и электрической корреляции для элементов сетчатки (см. главу VIII). Сигналы от глаз становятся эквивалентами спроектированных на сетчатку объектов в результате их взаимодействий в мозге с сигналами других органов чувств и метаболизмом организма в целом.

Каждый орган и каждая его часть в любом виде жизни образованы неповторимой случайностью расположения клеток, ограниченной условиями. Это задано как принципами возникновения и эволюции жизни, так и законами онтогенеза. Мозг в этом не есть исключение. При этом сетчатка глаза как орган, например, у человека составляет часть его мозга. Она, как и мозг в целом, генетически несовместима с организмом и может выжить только под защитой барьера, иммунологически изолирующего мозг от его организма-хозяина.

Рис. 9.1

Пусть плоскость 1 на рис. 9.1 есть слой клеток мозга - нейронов, непосредственно соединённых с нервами 2, приходящими в мозг от глаз. Плоскости 3, 4 - другие слои нейронов. На рис. 9.1 для упрощения показаны только два таких слоя и не обсуждаются важные связи внутри слоёв типа тех, которые создают амакриновые клетки в сетчатке.

В силу принципов роста клеток связи в слоях нейронов и между ними - случайны. Слои типа 3, 4 образованы многими видами нейронов, отличающимися характером ветвлений и связей между ними, а также нейромедиаторами и нейропептидами, участвующими в работе химических синапсов. Алфавит и язык слоёв 3, 4 есть функции распределения и функции корреляции. Последние создают латеральные связи в слоях.

Нейроны, взаимодействующие в мозге с сигналами, например, от сетчатки глаза должны удовлетворять многим условиям. Законы формирования и распространения волн, которые есть нервные импульсы, делают наиболее вероятным их искажение типа насыщения - сохранения постоянной амплитуды. На этой основе возникает принцип взаимодействия импульсов в мозге ДА, НЕТ, ИЛИ. Но он не повторяет взаимодействия элементов в компьютерах. Природа и естественный отбор дополняют его вариациями случайностей связей и величины порогов срабатывания при операциях ДА, НЕТ, ИЛИ, которые задаются нейромедиаторной основой работы химических синапсов. При обработке сигналов в простых нервных системах, например, у муравьев и пчёл, отличия от описанного количественные, а не качественные.

Выходной слой 4 содержит свои по видам и связям нейроны 5. Клеточная анатомия слоя 4, как и связи слоя 3 и 4, столь же случайны (под контролем условий), как и у предыдущих слоёв. Пусть элементы 5 в слое 4 обладают естественным для нейронов свойством - порогом срабатывания. Если сумма сигналов, поступающих по случайным связям от слоя 3 к данному элементу 5 превышает заданную величину, элемент 5 переходит в состояние, которое для определённости назову ДА. Если эта сумма меньше порога, то этому соответствует сигнал НЕТ. Выходные сигналы 6 поступают на вход типа 1 аналогичной схемы (иерархически старшей) и/или по связям 7 передаются внутренним органам и двигательным системам 8 в организме.

Мозг может влиять на выживание, если синтез информации в нём может действовать на метаболизм и взаимодействия организма с окружающей средой. В этом мозг использует сигналы органов чувств. Они преобразуют характеристики окружающей организм и внутренней его среды (выраженные физическо-химическими свойствами и законами) в функции распределения нервных импульсов и состояний нейронов. Функции распределения на основе введенного А. Эйнштейном соотношения (8.1) определяют величину энтропии-информации.

Взаимодействия между слоями 1 и 3 случайны. Условия для этих случайностей, в частности, заданы порогами срабатывания нейронов. Пороги зависят от поступления нейромедиаторов в синаптические щели химических синапсов. Воздействия 7 на органы 8 вызывают их ответ, сводящийся к электрическим импульсам и выделению нейромедиаторов. Действие, аналогичное нейромедиаторам, могут реализовать низкомолекулярные вещества, называемые нейропептидами. В некоторых случаях гормоны могут оказывать влияние на мозг по типу нейромедиаторов.

Связи 9 передают вещества и сигналы из организма обратно в слои 3 и 4. В них происходят преобразования функций распределения сигналов нейронов и их состояний. Это (с участием разных видов связей 10 между слоями и внутри них) изменяет энтропию-информацию.

Пространственная адресность связей 9 низкая - кровь омывает мозг в целом, а внешние и выделенные самим мозгом нейромедиаторы распространяются диффузионно, то есть с малой адресностью. Однако химическая специфичность нейромедиаторов высокая. Поэтому итогово связи 9 приближённо адресные.

От концентрации нейромедиаторов зависят пороги срабатывания синапсов при передаче электрических нервных импульсов между нейронами. В слое 3 для случайных сигналов и состояний изменение порогов срабатывания означает изменение функции распределения состояний элементов этого слоя и их выходных сигналов. В частности, воздействия 9 индивидуально в каждом слое можно изменять так и до тех пор, пока в нём не установятся экстремумы величины энтропии-информации и её производства одного из типов рис. 1.2, 1.4. Поэтому с помощью нейромедиаторов, внешних по отношению к слоям и их синапсам, можно с помощью обратных связей типа 6 - 9 устанавливать для состояний и сигналов нейронов слоёв 3, 4 экстремумы энтропии-информации и её производства. Запоминание экстремумов энтропии-информации и/или её производства, сводка критериев которого приведена на рис. 1.2, 1.4, есть синтез информации.

Энтропия-информация здесь определена по отношению к состояниям нейронов и их сигналам. Энтропия абстрактно-математически есть число. В реальной системе экстремумам энтропии-информации и её производства отвечают состояния элементов слоя 3 и их сигналы - нервные импульсы 6.

Включим иерархически на выходе схемы рис. 9.1 аналогичную схему, входными сигналами 2 для которой являются выходные сигналы типа 6 предыдущей схемы. Она аналогичным образом на основе нейромедиаторов и их эквивалентов связана с метаболизмом организма в целом и сигналами его органов чувств.

Нейромедиаторы в организме выполняют тормозные и возбуждающие функции. Связи 9 это есть обратные связи в том смысле, в котором они были пояснены в параграфе 9 главы VII. Возбуждающие нейромедиаторы в этих связях есть положительная обратная связь, а тормозные - отрицательная. Количество нейромедиаторов в организме порядка десятков. Химическое различие их свойств дополняется высокой селективностью, возникающей за счёт одновременного действия положительных и отрицательных (возбуждающих и тормозящих) обратных связей (параграф 9 главы VII).

Как подчёркивалось, экстремумы энтропии-информации системы при большом числе её элементов всегда очень острые. Мозг имеет ~1011 нейронов. Число их связей на порядки больше. Эти количества гарантируют детерминизм экстремумов энтропии-информации. Как и в случае сетчатки (но в большей степени) многообразие типов нейромедиаторов и нейронов создаёт широкий алфавит функций распределения в мозге и синтезируемых с их помощью объектов в виде экстремумов энтропии-информации и её производства.

Стремление к статическому максимуму энтропии-информации или к динамическим её экстремумам типа рис. 1.2, 1.4 есть самопроизвольный процесс. Это гарантирует воспроизведение в поколениях и работоспособность мозга как схем типа рис. 9.1 и их последовательно-параллельных групп.

В примере зрения экстремум энтропии-информации для случайных состояний элементов 5 - это есть объект, созданный в мозге на основе сигналов глаз, например, “вишня” (см. пример в параграфе 7 главы VII). Элементы 5 и их состояния реально существуют в мозге, но не имеют конкретного адреса, подобного номеру ячейки в памяти компьютера. Кроме того, состояния нейронов, отвечающие данному входному воздействию (например изображению, спроектированному на сетчатку), теряют прямые физико-химические связи с объектом.

Физический процесс установления экстремумов энтропии-информации математически описывает процедура нормировки энтропии. Она положена в основу метода максимума энтропии Е. Джейнса [146]. Его развитие дано Г. Хакеном в [147]. Синтез информации в задачах возникновения и эволюции жизни и разума на основе нормировки энтропии подробно рассмотрен мною раньше [3], [4]. В параграфе 9 главы I нормировка энтропии использована для введения энтропии как функции комплексного переменного. Взаимодействия мозга и организма на основе связей 9 рис. 9.1 есть материализованная процедура нормировки энтропии как функции комплексного переменного. Этим для мозга разделяются логика (как отображение действительной части энтропии-информации) и собственно синтез новой информации. Соотношение этих составляющих работы мозга описывает семантический коэффициент (1.30).

Нейромедиаторные связи типа 9 действуют не только между организмом и мозгом, но также в виде 10 между слоями нейронов в мозге и внутри них. Запоминание статических и динамических экстремумов состояний и сигналов нейронов в мозге есть отражение окружающей природы мозгом. Оно происходит внутри него, но включает в себя комплекс реакций организма в целом.

К сожалению, мало опубликованной литературы о механизмах запоминания в мозге и в нервных системах. Важен факт - мы сами существуем, плохую или хорошую память имеем, а это значит, что слои и элементы типа рис. 9.1 в мозге работают и их состояния запоминаются.

Условие, определяющее свойства нейронов (как запомненного иерархически раньше случайного выбора) - пороги срабатывания. Но именно они необходимы в рамках схемы рис. 9.1 для реализации принципов её работы. Главное требование в этом есть случайности связей. При образовании мозга как “конструкции” (или его предшественников в простейших нервных системах) естественный отбор генетически запоминает параметры нейронов - функции распределения ветвлений, типы синапсов, пороги срабатывания. Это делает высокой вероятность случайного возникновения работоспособной конструкции типа схемы рис. 9.1. Такая реализованная схема даёт преимущества для индивидуума, то есть для запоминания путём выживания выживающих.

Выходные сигналы элементов 6 слоя 4 в схеме рис. 9.1 подобны сигналам, действующим первично на её входе 1. Поэтому блоки рис. 9.1 становятся функциональными вычислительными элементами мозга. Генетически запоминается иерархическое повторение этой схемы. Оно не тождественно по элементам, их связям, взаимодействиям с организмом в целом. Но принцип случайности связей и роли нейромедиаторов в установлении экстремума энтропии-информации как характеристики состояний некоторого слоя нейронов - универсальны. И так многократно в филогенезе, а потом в онтогенезе.

Итог этого и есть мозг человека как сформировавшийся в результате естественного отбора орган. Его структуру и работу отображают такие же последовательности иерархических плоскостей синтеза информации, какие характерны для эволюции жизни. Эта иерархия двойственная. Одна система плоскостей отражает иерархию образования мозга как органа с его отделами. Работа мозга, как было пояснено выше, есть иерархическое продолжение принципов его анатомической реализации. Поэтому плоскости синтеза анатомической информации находятся в соответствии с иерархией синтеза информации как обработки информации в мозге на основе сигналов взаимодействия его нейронов и с органами чувств. Но отображающие эту иерархию плоскости иные.

Важно подчеркнуть. Схема рис. 9.1 как иллюстрация основного вычислительного блока в мозге основана на экстремумах, осредняющих случайности. Поэтому она принципиально нечувствительная к локальным единичным повреждениям нейронов и их взаимных связей. Именно это наблюдается реально в работе всех видов нервных систем и мозга в его разных реализациях вплоть до человека.

Естественно, что схема рис. 9.1 очень сильно упрощенная. Реально число слоёв, которые передают сигналы, больше. Исключительно важны латеральные связи типа реализуемых амакриновыми клетками в сетчатке. Они вводят в работу мозга функции корреляции. Но это только подчеркивает неустранимость случайностей состояний и связей как основы анатомического воспроизведения и работы мозга.

Введенный порогами принцип ДА, НЕТ, ИЛИ в мозге универсален. Одновременно он есть основа законов логики. Когда этот принцип используется для выходных сигналов элементов мозга (типа комплекса в виде схемы рис. 9.1) возникает та логическая обработка информации в мозге, которая наиболее выражена у человека. Как подчеркивалось в главе VII параграф 7, пороги вводят логические законы и на самом младшем уровне иерархии энтропии-информации, на котором взаимодействуют единичные нейроны. Между этими альтернативами принцип ДА, НЕТ, ИЛИ участвует как вспомогательный инструмент. Элементы мозга не повторяют элементарные ячейки компьютера. Логика компьютера иначе входит в первичные принципы работы мозга.

В терминах физики логика есть наука, в основе которой лежат функции состояния (они были подробно рассмотрены в главе VI). В работе логики в мозге на первый план выходит абстрактный аналог энергии и его взаимодействия с энтропией-информацией как физической переменной. Это непривычно, но бесспорно. Огромное число нейронов в мозге гарантирует остроту экстремумов энтропии-информации и её производства, которые образуют принцип работы мозга рис. 9.1.

Энтропия-информация как физическая переменная есть функция комплексного переменного. Работа нервных систем и мозга в этом не исключение. Иерархия синтеза информации в мозге неустранимо содержит в себе действительную часть (логическую обработку информации), описываемую в терминах функций действительного переменного, и собственно информацию, которая есть мнимая составляющая полной информации. В результате синтез информации и её преобразования в мозге однородно основаны на тех же принципах и законах, что и везде в природе, начиная от возникновения Вселенной. Это важнейшее для работы мозга и её результатов, для познания человеком природы.

Экспериментальные факты о работе мозга человека исчерпывающе доказывают реальность введеных выше принципов работы мозга, хотя их, как правило, так не используют.

Пример воздействия на мозг сигналами глаз. Человеку одевают очки с призмами, переворачивающими изображение. Его ориентация нарушена. Он носит их постоянно некоторое время. Окружающие его предметы восстанавливают своё нормальное положение.

Аналогичный пример воздействия на мозг через органы слуха. Человеку многократно на магнитофоне проигрывают фразу с командами, подлежащими выполнению. При этом движение ленты в магнитофоне задают наоборот. В полученных звуках, казалось бы, невозможно услышать общее с той фразой, что продиктована первично. Однако в итоге человек, прослушав только обращённую во времени запись, начинает выполнять те действия, которые предписаны этой фразой.

Зададим вопрос - что остаётся тождественным в прямом и перевёрнутом изображении, во фразе, проигранной правильно и наоборот во времени? Ответ - остаются тождественными функции распределения, экстремумы энтропии-информации и её производства, функции автокорреляции! Язык органов чувств и мозга - это и есть функции распределения, функции корреляции, экстремумы энтропии-информации и её производства.

В случае стационарных случайных процессов (а отображение объектов или звуков таково) прямой и перевёрнутый объект тождественны на языке функций распределения, функций корреляции, экстремумов энтропии-информации и её производства.

Меняется только сигнал их связи как целого с пространством и временем - верх-низ, вперёд-назад во времени. Поэтому органы чувств и мозг воспринимают прямое и перевёрнутое изображение или прямой во времени и обратный звук как тождественные. Единственное необходимое дополнительное обучение мозга - путём сопоставления с реальностью установить новую привязку “символов языка” мозга. Например, для зрения мозг человека это делать умеет. Ведь люди спокойно, а иногда и быстро, читают текст, который лежит перед ними “вверх ногами”. Для звуков у людей нет такой обиходной практики, но отличие прямых и обратных звучаний на языке органов слуха и мозга столь ничтожно, что обучение возникает самопроизвольно.

Как видите, даже общеизвестных результатов о сопряжении сигналов органов чувств и мозга достаточно для исчерпывающего доказательства основного факта - функции распределения, корреляции случайных сигналов, экстремумы описывающей их энтропии-информации и её производства есть те объекты, с которыми работают нервные системы и мозг. Несомненно, что объяснение работы органов чувств и мозга, которое дано в [2] - [11] и в этой книге, откроет и другие возможности передачи в мозг сигналов, использующие его натуральный язык - функции распределения, корреляции, экстремумы энтропии-информации и её производства. В частности, отмечу статьи [58] - [61].

Ещё раз подчеркну, что огромное число элементов и их связей в мозге филогенетически запомнено потому, что гарантирует детерминизм его работы в виде остроты экстремумов. Память в мозге не выражается запоминанием состояний конкретных нейронов. Это есть память, аналогичная симбиозу клеток в конкретной экологической нише. Схемы типа рис. 9.1 в мозге формируют экстремумы. Они есть комплекс физико-химических условий, создающий “экологическую нишу”. Память мозга (как устойчивое воспроизведение состояний и взаимодействий нейронов) подобна памяти о совместном функционировании клеток любого органа (печени или почек и подобного). Память мозга - это сообщество клеток и их связей, которое запомнено как таковое, в комплексе. Отличие в том, что, например, в почках или печени образуется симбиоз простых по форме и взаимным контактам клеток, а нейроны имеют огромное количество дендритов и аксонов, а потому объект запоминания есть состояния и положения комбинаций статических и динамических связей между нейронами - одни и те же нейроны способны реализовать астрономические количества взаимных связей как конкретный “печёночный симбиоз”. Симбиоз нейронов с участием их синапсов в экологической нише - это есть память в мозге.

Изложенное выше не опровергает огромного материала о нейронных сетях (для технических устройств и абстрактных постановок задач), который накоплен в настоящее время. В терминах этой работы описания нейронных сетей относятся к действительной компоненте комплексной энтропии-информации в мозге. Некорректность в литературе о нейронных сетях та же, что и при описании зрения - случайности вводятся по типу “матового рассеивателя” в упорядоченных взаимодействиях. Это не так. Случайности есть принципиальная основа мозга.

В главе о зрении я вводил при описании оптических преобразований понятия из области голографии. Поэтому должен подчеркнуть, что нередкие предложения голографических принципов как одной из основ работы мозга есть заблуждение, возникающее из непонимания существа голографии. Она есть именно и только реализация в виде инженерных устройств основополагающего для волновой оптики принципа Гюйгенса-Френеля (см. [139]). Волновые процессы в мозге существуют в частных случаях синхронизации работы многих нейронов. Принцип Гюйгенса-Френеля справедлив для них. Но они сами имеют вспомогательное значение для работы мозга и нервных систем.

Ссылки на нечувствительность голограмм к локальным повреждениям и сопоставление этого с особенностями мозга так же отношения к работе мозга не имеют. Работа мозга устойчива к локальным повреждениям и сбоям потому, что в её основе лежат экстремумы энтропии-информации и её производства. Они возникают как осредненение огромных чисел состояний элементов системы и их связей между собой, а потому нечувствительны к локальным повреждениям и сбоям.

Важно отметить направление в развитии вычислительных систем, которое признаётся труднее, чем исследования нейронных сетей - работы Д. Эдельмана [148] уже ввели в вычислительные машины принципы и методы дарвиновского естественного отбора. Они используются на уровне практических устройств. Этот путь в вычислительной техники развивается.

Это исключительно важное и продуктивное направление, но опыт биологии показывает, что само понятие дарвиновского естественного отбора нуждается в уточнениях. Они сделаны в этой работе. В частности, как будет показано в следующей главе, в них содержится ответ на вечный вопрос - почему человек может познавать окружающую природу и себя самого?

Впервые ввёл понятие об обработке информации в мозге по типу схемы, похожей на рис. 9.1, Ф. Розенблатт [149]. Он назвал такие устройства персептронами. Они есть иллюстрирующая частная схема. В ней связь с экстремумами энтропии-информации и её производства выражена неявно. Связь с ними принципов работы мозга введена в моих работах [2] - [10] и в этой книге.

Почему мозг воспроизводится в поколениях? Ответ уже есть в изложенном и остаётся его только повторить - Мозг воспроизводится в поколениях потому, что нейроны и их связи растут случайно, а именно случайность расположения нейронов и их связей (в пределах характерных для них условий) необходима для эффективной работы мозга.

Знают ли муравьи арифметику?

Синтез информации (как принцип) есть причина и основа того, что “верёвочный компьютер” мозга во многих задачах работает эффективнее, чем в миллиарды раз более быстродействующие, с большим числом “нейронов” ДА, НЕТ, ИЛИ рукотворные компьютеры. Из изложенного выше понятно, что синтез информации в мозге (как главный способ обработки в нём внешних и внутренних сигналов) есть сопоставление несопоставимого. В терминах причинно-следственных связей физических и химических законов между реальной вишней и её образом как продуктом работы мозга нет ничего общего.

Рис. 9.2

Приведу примеры связей метаболизма и синтеза информации в нервных системах (объёмом порядка одного-двух кубических миллиметров при всего сотнях нейронов), создающих вызов инженерам, разрабатывающим компьютеры или системы управления ракет.

Давно известен язык танцев пчёл [150]. Пчела, которая принесла корм в улей, выполняет на его вертикальной стенке сложные повторяющиеся движения, некоторые фигуры которых показаны в верхней линейке на рис. 9.2. Основной символ языка танцев - “восьмёрка” как траектория ползания пчелы. Перемычка в ней сопровождается виляющими движениями брюшка. Угол с вертикалью перемычки зависит от направления полёта к корму относительно солнца (рис. 9.2). Подробности об этом я рассказал в [14]. Язык танцев пчёл ещё в середине ХХ века был расшифрован вплоть до составления словаря и способности человека понимать разговоры пчёл. В последние годы с помощью механического приспособления, воспроизводящего символы танцев, удалось осуществить обратное [151]. Человек может сказать пчёлам на их языке - куда лететь за кормом и какое расстояние до него. Понятия - слова, язык, разговоры - по отношению к языку танцев пчёл больше не требуют кавычек. Они соответствуют своим значениям в любом человеческом языке. Поясню происхождение языка пчёл как следствия основного принципа рис. 9.1 обработки сигналов органов чувств, связывающего их с метаболизмом организма.

Пчёлы имеют фасеточный глаз. Он воспринимает не только ориентацию относительно солнца, но и поляризацию излучения неба, зависящую от положения на нём солнца, то есть способен ориентироваться по солнцу и тогда, когда оно не видно. Полёт энергоёмок, поэтому метаболизм отвечает на него сильными изменениями, которые неизбежно становятся сигналами расстояний. Пчёлы дополнительно к полёту могут передвигаться на шести ногах.

Однако при трахеистом дыхании производство энергии у пчёл ограничено. Этим жёстким условием ограничены размеры их тела и объём нервной системы. Неизбежно запоминание тех случайностей, которые для управления обоими типами движений используют хотя бы частично одни и те же элементы и связи в нервной системе. Эта “негативная” случайная связь приводит к языку пчёл, так как по естественным, но случайным, причинам перевозбуждение системы управления движением при полёте не может мгновенно прекратиться. Когда пчела вернулась в улей и может только ползать, её система передвижения на шести ногах продолжает получать сигналы, которые действовали в полёте.

Систему управления полётом и ползанием пчёл создали случайности. Она несовершенна, избыточна по связям, гротескна по их взаимным пересечениям. Одно из таких уродств - самопроизвольные врождённые бесцельные движения никогда не вылетавших из улья пчёл типа тех, которые входят в символы их языка.

В полёте работала система ориентации и измерения дальности. Запомненные в процессе полёта связи в ней остались. Они в случайных формах, ограниченных условиями анатомии и функционирования данной нервной системы, действуют и непосредственно после полёта (при ползании). Что-либо целенаправленное они создать не могут - нет понятия цели в живых системах. Не могут они действовать и на ключевые для выживания энергоёмкие процессы - там и так всё слишком напряжённо в случайных нагромождениях. При ничтожном объёме организма и нервной системы пчелы - отбор забракует избыточность. Но при неэнергоёмком ползании в безопасных условиях улья у пчелы уже существуют избыточные комплексы движений, запретить которые у отбора нет причин. Возникает высокая вероятность того, что случайность бесцельно свяжет эти движения с запомненными в полёте ориентационными состояниями и процессами. Это материальная связь в терминах нейронов и их метаболизма. В силу этого она может быть обратимой между состояниями полёта и ползания.

Подражание - важнейший принцип, запомненный отбором в разных формах во всех нервных системах. Ползание других пчёл, находящихся в улье, которое повторяет движения прилетевших пчёл, есть высоковероятный процесс. Ползание динамически устанавливает в нервной системе подражающей пчелы в улье те самые связи, которые установились у другой пчелы в процессе полёта к месту кормёжки. Нервная система такой “обученной” пчелы после вылета из улья переключается на управление полётом. Но в ней ползание уже создало те самые однозначные связи, которые необходимы для осуществления полёта по конкретному маршруту.

Вездеход-амфибия может управляться и двигаться на колёсах по земле и с помощью гребного винта в воде. Для того, чтобы переключать его движители и управление, нужны заранее спроектированные изделия в нём и способы управления ими. Иная ситуация в связях движения или полёта и нервной системы пчелы. Нервная система знает один вид своих состояний - экстремумы энтропии-информации и её производства. В равной степени эти экстремумы управляют и полётом, и ползанием. Они синтезированы и запомнены. Нервная система у пчелы мала (всего ~ 500 нейронов). Переключение в таких условиях должно происходить (с небольшими оговорками) на уровне выходных аксонов, идущих к мышцам ног или крыльев. Экстремумы (в отличие от рычагов и шестерёнок машины-амфибии) универсальны. Принципы основной для нервных систем схемы рис. 9.1 есть причина простоты и высокой вероятности реализации у пчёл переключений управления полётом и ползанием.

Язык пчёл возник на основе случайностей, условий, избыточности. Повышение выживаемости улья в целом за его счёт огромно. Выживание выживающих запоминает это мгновенно, используя даже единичную удачную случайность. В любом языке (вплоть до человеческого и его формы - математики) обязательно присутствуют те же элементы случайностей, условий, избыточности, запоминания, что и в языке пчёл. Язык пчёл количественно, а не принципиально, отличается от человеческого языка.

Принципы образования и действия языков делают их возможности и результаты, казалось бы, фантастическими при самых простейших их формах. Несомненно, что развитый язык такого же уровня, как у пчёл, есть у муравьёв. Его исследования проводились в Новосибирске [152].

В частности, муравьев заставляли искать пищу, расположенную на одной из палочек, образующих простую гребёнку. Впервые попавший на неё муравей в процессе случайного исследовательского поведения обследует подряд все палочки пока не обнаруживает ту, где находилась пища. Тщательными контрольными экспериментами (подмена гребёнок как объектов и пр.) было проверено, что для муравья адрес ответвления на гребёнке есть его порядковый номер от начала движения.

Набрав пищу муравей возвращался в муравейник. При встречах на обратном пути с сородичами (а муравьи движутся по запомненным постоянным маршрутам) он контактирует с ними движениями усиков и в других не вполне понятных формах. В результате встречный муравей не повторяет на гребёнке поисковых движений предшественника, а сразу направляется к нужному по счёту зубцу.

Муравьи умеют считать? Они имеют язык для передачи цифр?

Ответ парадоксально прост. Да, муравьи умеют считать, так как основа человеческого счёта те же самые абстракции, что и у муравья - экстремумы энтропии-информации и ей производства для состояний и связей нейронов. Да, муравьи имеют язык для передачи цифр, так как контакт муравьев приводит к движению муравья, обученного с помощью разговора со встречным, точно к ответвлению, заданному числом. Муравьи умеют складывать и вычитать, так как исследовательское поведение на гребёнке без этого адрес-число дать не может.

Отличие в одном. Счёт человека завершается двигательными командами для речи, написания чисел и подобного, не связанного однозначно с пищей и другими функциями прямого выживания. У муравьев конечный результат счёта есть такие же двигательные (в конечном счёте) реакции. Но они напрямую связаны с выживанием выживающих.

Не абстракция отличает арифметику человека от арифметики муравьёв - экстремумы энтропии-информации всегда абстрактны. “Нервная система” одноклеточного эукариота уже есть создание абстракций. Нервные импульсы и нейромедиаторы в равной степени могут управлять мышцами и последующими иерархическими схемами рис. 9.1. Отличие пчелы или муравья от человека в том, что у человека язык отражает самостоятельный новый уровень иерархии синтеза информации в виде структур мозга (последовательно-параллельных схем типа рис. 9.1), которые неявно связаны с прямыми функциями выживания. Язык муравьёв и пчёл отражает синтез информации на основе принципа максимума производства энтропии-информации, каковым является появление в филогенезе двойной сигнальной системы. Язык человека отличается от него тем, что иерархия синтеза информации о двойной сигнальной системе у человека получила старшие ступени, а также запомнила количественные и качественные изменения, которые создала самоорганизация как стремление к динамическим и статическим равновесиям в пределах новых плоскостей синтеза информации.

Язык пчёл замечен и расшифрован человеком только потому, что его алфавит и слова выражаются символами рис. 9.2, которые могут восприниматься непосредственно органами зрения человека. Муравьям особенности органов чувств человека безразличны. В алфавит и словарь их языка, наиболее вероятно, входят продукты метаболизма, а также передача электрических импульсов при контактах усиков в процессе разговора. Прямых химических и электрических органов чувств на таком уровне человек не имеет. Расшифровка алфавита, словаря и правил языка муравьев поэтому становится изощрённой и трудоёмкой физико-химической работой. Но не более того.

У пчёл символы являются движениями при ползании. Их можно прочесть и ввести информацию в нервную систему, повторив ползание. У муравьев слова образуются пока не идентифицированными и не исследованными веществами и электрическими импульсами, воздействующими на нервную систему почти непосредственно. Язык муравьев в большей степени является языком, чем у пчёл.

Двигательные переключения, энергетика метаболизма участвуют при формировании в нервной системе муравьев понятия номера ответвления на гребёнке. Разговор двух муравьёв сводится в конечном итоге к перераспределению нейромедиаторов и экстремумов в системах управления движением обучаемого собеседника. Но понимания слов путём только повторения движений, как у пчёл, у муравьев в прямом виде нет. Символы языка муравьёв содержат больше аналогий с аппаратом человеческой речи, чем язык пчёл. Для муравьёв сами медиаторы входят в символы языка. Для пчёл - преимущественно движения, вызванные ими.

Единый принцип организации и работы нервных систем и мозга есть сопоставление несопоставимого с помощью экстремумов энтропии-информации и её производства для состояний и связей нейронов. Количество уровней иерархии (членов ряда (1.25) или (1.29)) в этом разные для разных видов жизни. Чем больше число уровней иерархии синтеза информации в анатомии и метаболизме вида жизни, тем, как правило, больше уровней иерархии в работе его нервной системы. В частности, и потому, что сама нервная система как орган растёт иерархически в соответствии с иерархией эволюции таксономических градаций жизни.

Мозг человека анатомически и функционально возник на основе критериев запоминания рис. 1.2, 1.4. Избыточность энергетики метаболизма разрешает отбор, направленный в сторону роста организмов. Возникает, наряду с тупиком роста объёма организмов насекомых, ветвь крупных животных. У них избыточность энергетики позволяет случайностям превращать в самостоятельные органы то, что в филогенетическом развитии у насекомых остановилось из-за ограничений объёма тела.

Результаты “арифметики муравьёв” и арифметики человека однородно выражаются двигательными командами, перераспределениями нейромедиаторов, нейропептидов, гормонов - реакциями метаболизма. Разница - в длине и однозначности цепочек, связывающих метаболизм и выживание с арифметикой.

В силу принципа максимума производства энтропии-информации для нервных систем и мозга иерархичность естественна, самопроизвольна. Большой по объёму мозг может количественно достичь больших результатов для выживания выживающих. У насекомых реализован тупик единой, но тем не менее двойной по принципам работы, сигнальной системы. У животных нервные системы содержат отделы в мозге с миллионами и миллиардами нейронов. Она превращается у них во многие последовательные иерархические ступени синтеза информации о мозге как анатомическом образовании. Главное в этом - случайность, а потому количества нейронов возрастают непропорционально сильно по сравнению с классами улучшений “потребительских” возможностей мозга. В частности, человека отличает гипертрофированно большое выражение старшей ступени иерархии в нервных системах. Его называют корой головного мозга, ассоциативной корой и другими равнозначными терминами.

Существует она или нет, велика или мала она у данного вида жизни есть количественное отличие. Но оно создаёт новые качественные возможности. Сопоставление несопоставимого - ассоциации - первичное свойство нервных систем. Увеличение объёма нервной системы и возникновение коры головного мозга увеличивает возможности и результаты ассоциаций. Оно на старшем уровне иерархии повторно вводит в работу нервных систем сопоставление несопоставимого.

Условные рефлексы есть только частный результат ассоциативных связей в нервных системах и мозге. Они невозможны для мозга в тождественной форме простейших инженерных автоматов. В таком виде напрямую они, может быть, и существуют у одноклеточных организмов, да и то с оговорками.

Во многих наблюдениях (от насекомых до высших животных) результат может быть описан в терминах последовательности “условных рефлексов”. Однако, если бы условные рефлексы (как законы логики и булевой алгебры) были бы первичны для нервных систем и мозга, то результат содержал бы в себе подобие современным компьютерам. И дело даже не в том, что им необходимо программирование, а живым системам его взять неоткуда. Просто при таких принципах работы нервных систем их объём и быстродействие были бы на много порядков величины меньше тех, которые необходимы для получения при размерах слона результатов муравьёв и пчёл - для логики элементы мозга несовершенны.

Телевидение сделало соучастниками экспериментов в биологии миллионы людей. На глазах у них животных уровня волков, собак, дельфинов заставляют по методике условных рефлексов отличать плоские тела от объёмных или анализировать другие особенности процессов и объектов, примитивные с точки зрения их выживания. Очень часто в таких демонстрациях явно видно выражение лица и детали поведения подопытных животных, которые вполне человечески выражают своё отношение к эксперименту и экспериментатору - “Неужели ты не понимаешь элементарного? Так и быть, сделаю для тебя ту ерунду, что ты просишь. Хочешь меня за это подкормить? Ну кто же от этого откажется.” - Дельфины как участники зрелищ в океанариумах, конечно, не отказываются от подкормки, но они прежде всего самые настоящие артисты, осознающие себя в такой роли и работающие, в том числе, и за реакцию публики на свои действия, “за аплодисменты”.

Избыточность нервной системы велика даже при относительно малой коре головного мозга. Ведь кора создана случайностью. Демонстрация примера для подражания - важнейшее в выживании выживающих у всех форм жизни, начиная от самых простых. Актёрское мастерство в человеческом смысле есть избыточное проявление такого обучающего поведения - случайность превратила ведущий фактор отбора в “бесполезную” самоцель. Материальный химический ответ организма на удовольствие от решённой абстрактной задачи тождественен ответу, который дала бы пища как результат реальной задачи выживания.

Как и человек-актёр, дельфин уже получил от самого своего выступления те нейромедиаторы и нейропептиды, которые эквивалентны реакции на “поедание рыбы”. Рыба как награда дельфину полезна и работает потому, что энергетический метаболизм для него первичен. Если метаболизм обманывать, оставляя дельфина голодным, то вызванное этим перераспределение нейромедиаторов и нейропептидов уничтожит удовольствие дельфина от своего актёрского мастерства. Рыба вызывает выделение тех же нейромедиаторов и нейропептидов и нужна для того, чтобы актёрский успех не ассоциировался с голодом.

Отличие человека от животных количественное. Для гипертрофированной (функционально удалённой от биохимии выживания) коры его мозга абстракция выражается тождественной “пищевой” реакцией на воздействия. Отличие в этом человека от дельфина в том, что больше ступеней иерархии синтеза информации между основным метаболизмом и работой его мозга. В результате нередко человеку творчество доставляет удовольствие и в тех случаях, когда оставляет его голодным.

Не условные рефлексы, а замена узкого подчинения энергетическому метаболизму ассоциативных связей в мозге на широту собственно ассоциаций заставляет дельфинов демонстрировать чудеса грации и разумности в океанариумах. Отличия дельфинов-актёров от звёзд театра и кино весьма малы. Кстати, и “звёзды” не отказываются от “подкормки” - почему не объединить приятное с полезным?

“Передача мыслей” веществами

Сразу предупреждаю, что в этом параграфе ни прямо, ни косвенно не идёт речь о возрождении вульгаризации начала ХХ века о том, что мысль должна быть жидкостью, бултыхающейся в мозге. Материализма безграмотных философов этого периода и споров о нём, которые в явной или завуалированной форме продолжались весь ХХ век, нет и быть не может. Информация от нервных систем простых форм жизни до мозга человека обязательно материальна [4], но в том единственном смысле, в котором материальны все физические переменные и процессы:

ѕ связана с физической энергией и её превращениями;

ѕ реализуется в процессах с участием состояний конкретных клеток и веществ в них;

ѕ количественно измерима в экспериментах;

ѕ может быть переменной в математических постановках задач.

Процессы в нервной системе и в мозге, на которые ежедневно тратится около трети калорий наших завтраков, обедов и ужинов, нельзя считать нематериальными даже, если спрятать это в такие термины как душа и подобное. Вещества, энергия участвуют в синтезе информации, происходящем в мозге и в нервных системах. Это должно иметь наблюдаемые в экспериментах следствия. И они реально есть. Удивительного в этом быть не может, однако далеко не для всех.

В начале 60-х годов М. Мак-Коннелом было экспериментально обнаружено, что у червя - планарии можно выработать некий условный рефлекс при его передвижениях в воде. Сенсация заключалась в том, что если кормить необученных планарий их обученными сородичами, то это вызывает такое же их поведение, как у обученных планарий. Получалось, что сложные формы поведения можно передавать особи с помощью веществ, которые присутствуют в обученной особи. Споры о материальности мысли сильно затормозили исследования в этом направлении, но от фактов уйти нельзя.

Приведу пример достоверного изменения сложных форм поведения под действием единственного вещества, которое вводится в окружающую организм среду и может оттуда им поглощаться.

В семидесятые - восьмидесятые годы было подробно исследовано пищевое поведение пьявок [153]. Они относятся к группе кольчатых червей - аннелид (в частности, ниже речь идёт о виде Hirudo medicinalis). Пьявки живут в воде и питаются кровью животных. Объект для питания пьявки находят преимущественно путём случайных перемещений в воде. Пригодность его для питания ими определяется путём обследования, в котором критерий есть температура участков его поверхности порядка 35 - 40 оС. За один раз пьявки поглощают количество крови, которое в 7 - 9 раз превышает их вес. Поэтому иногда они могут питаться один раз в год. В процессе питания сигнал к окончанию поглощения крови поступает от растяжения клеток тела в результате наполнения зоба. До поступления такого сигнала пьявка не реагирует даже на сильные внешние раздражители вплоть до порезов поверхности её тела. Сытая пьявка от жертвы отпадает, прекращает случайные поисковые перемещения и старается спрятаться. В таком состоянии она избегает нагретых участков поверхности тел, если она с ними соприкасается. Пьявки используются в медицине и хорошо исследованы.

Рис. 9.3

Схематическое изображение передней части тела пьявки показано на рис. 9.3 (по статье [153]). Губа обеспечивает присасывание пьявки к телу жертвы. Она замыкает полость, в которой расположены челюсти и ротовое отверстие, соединённое с глоткой и далее с зобом. Кожу жертвы пьявка прорезает движениями трёх челюстей. Чередующиеся с зубами протоки вводят в организм жертвы слюну из слюнных желёз. Она содержит антикоагулянт - гирудин (что есть один из эффектов при медицинском применении пьявок). Выделяемая пьявкой слизь играет роль смазки.

Нервная система пьявки, как и у всех кольчатых червей, состоит из цепочки ганглиев, соответствующих каждому цилиндрическому сегменту её тела. Продольные пучки нервов связывают их между собой. В сегмент от каждого ганглия отходят автономные (латеральные - “горизонтальные”) связи. Латеральные связи в сегментах содержат дендриты и аксоны, которые обслуживают “органы чувств” пьявки и её мышцы. Продольные связи соединяют преимущественно интернейроны (нейроны, которые взаимодействуют только друг с другом).

Четыре передних ганглия пьявки слиты в единый ганглий, который можно весьма условно сопоставить “мозгу”. Ганглиев у пьявки 32. Каждый ганглий содержит примерно 400 нейронов. Всего в нервной системе пьявки 12 - 13 тысяч нейронов. Первые нейроны были найдены и исследованы именно у пьявок в 1891 г. шведским анатомом Г. Ретциусом. За свою величину они названы гигантскими нейронами (клетками Ретциуса). Их аксоны обслуживают ветвящиеся латеральные связи с отмеченными выше функциями.

Нейромедиаторы пьявки подобны тем, которые встречаются у всех животных - ацетилхолин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК), и моноамиды-нейромедиаторы: октопамин, допамин и серотонин, а также несколько нейропептидов.

Клетки Ретциуса содержат ферменты, необходимые для синтеза серотонина. В их мембране есть механизмы для активного транспорта серотонина из внешней среды внутрь клетки. В ганглиях есть также ещё четыре типа интернейронов, в которых высоко содержание серотонина. Передние ганглии пьявки содержат около десяти серотониновых нейронов. К задней части тела их количество в ганглиях уменьшается до пяти.

Результаты исследований, обзор которых содержится в [153], показали, что в нервной системе единственное вещество - серотонин - управляет всем пищевым поведением пьявки. Серотонин клеток Ретциуса участвует в секреции слизи. Он расслабляет мышцы стенок тела и увеличивает их способность к растяжению, то есть регулирует объём поглощаемой крови. Из всех нейромедиаторов пьявки только серотонин вызывает секрецию слюны из слюнных желез. Серотонин латеральных интернейронов участвует в плавательных мышечных сокращениях пьявок. Все перечисленные процессы у пьявки связаны с поиском и поглощением пищи-крови.

Для пищевого поведения пьявки нормировка энтропии-информации в её нервной системе (необходимая для работы схем типа рис. 9.1), производится с помощью изменений концентрации единственного нейромедиатора - серотонина.

Подчеркну, что везде выше я выделяю в работе нервных систем и мозга роль синтеза информации. Но это не означает пренебрежения разнообразными прямыми и косвенными связями, описываемыми схемами, которые отличны от рис. 9.1. Логика и известные общие принципы нейронных сетей в работе нервных систем и мозга необходимы и важны. Например, в нервной системе рассмотренной выше пьявки все серотониновые нейроны связаны друг с другом чисто электрическими синапсами. С их помощью они возбуждаются или тормозятся преимущественно синхронно от общего источника. Этим обеспечиваются неспецифические обратные связи, необходимые для обострения селективных свойств за счёт одновременных альтернативных обратных связей (см. параграф 9 главы VII). Поэтому химические синапсы, использующие серотонин и принципы синтеза информации рис. 9.1, обеспечивают огромное разнообразие поведенческих реакций пьявки, которое при количестве нейронов пьявки невозможно обслужить на основе логики.

Феноменологически введение серотонина во внешнюю среду (где его нормально никогда нет) приводит к выраженным поведенческим эффектам. Например, если голодных пьявок поместить в воду с растворённым в ней серотонином, то они плывут к своей добыче в два раза быстрее, а частота их укусов увеличивается на две трети. Количество поглощённой крови возрастает на треть. В присутствии серотонина кусаются и сытые пьявки (чего нет в норме). Серотонин в среде, окружающей пьявку, даже при удалённых ганглиях вызывает частые жевательные движения челюстей, секрецию слюны, ритмические сокращения глотки.