История нейробионики как науки

       Можно также ожидать, что инвалиды будут пользоваться несколькими добавочными руками, подключенными параллельно живым.

       Уже построен «мощный» робот высотой 5 м, управляемый биосигналами сидящего в нем человека. Достаточно легкого движения руки человека — и робот вырывает дерево вместе с корнями.

       Создано также и другое устройство — усилитель мускульной силы человека. Это легкий стальной «скелет» с сервомеханизмами, управляемыми биоэлектрическими импульсами. Человек при использовании такой конструкции развивает силу, в шесть раз большую, чем обычно.

        Имеются уже биоэлектрические «рукавицы», благодаря которым космонавт или подводник может свободно одной рукой выполнять работу, требующую приложения силы около 40 кг. Добавлением служат усилители силы пальцев. Энергия для усиления человеческих мускулов берется от электрических или гидравлических систем[2, с.53].

         Искусственные руки становятся все длиннее. Это значит, что вместо проводов, соединяющих их с человеком, применяются радиоволны. Такие руки, управляемые на расстоянии с помощью биоэлектрических импульсов, работают при больших температурах, в атомных устройствах и т. п.

        Рост скоростей в технике привел к тому, что нормальные реакции водителя или пилота стали недостаточными. Ученые начали интересоваться системами «человек—машина». Скажем, в системе «человек—автомобиль» время реакции водителя с момента принятия решения до включения ножного тормоза 0,4 ... 0,5 с. Само время передачи нервных импульсов от мозга до мышц ног (при скорости распространения нервных импульсов порядка 100 м/с) — около 0,15 с. За время 0,5 с автомобиль со скоростью 100 км/ч пройдет путь около 12,5 м[4].

         Конструкторы попытались сократить путь нервных импульсов и время реакции. Водитель во время опыта получал очки со стальными спиральными пружинками, снабженными серебряными электродами, которые прижимаются к надбровным дугам. Электроды соединены с транзисторным усилителем, на выходе которого находится реле, управляющее сильным электромагнитом, связанным с автомобильным тормозом. В случае опасности достаточно водителю нахмурить брови, чтобы автомобиль начал тормозить уже через 0,15 с. При скорости 100 км/ч путь, пройденный автомобилем до момента торможения, будет составлять только 3,75 м вместо 12,5 м. Кроме автоматического тормоза, который срабатывает через 0,15 с, автомобиль имеет и обычный ножной тормоз.

       Сейчас пытаются использовать изменения выражения лица пилота для управления сверхзвуковыми самолетами. Миниатюрные электроды заменят известные сегодня виды управления (ручное и ножное).

        Пилоты космических станций получат возможность управлять с помощью движения глаз. Речь идет о том, что поворот глаза на 10 вызывает изменение биоэлектрических потенциалов глазных мышц в пределах 10 ... 40 мкВ. При этом сохраняется линейная зависимость между углом поворота глаз до 30° и амплитудой биотоков. Эту линейную зависимость можно использовать для управления с помощью усилителей и сервомеханизмов.

        Пытаются также использовать нетипичные реакции мышц, возникающие в момент перегрузок, для управления движущимися объектами.

         Интересные результаты дают эксперименты, связанные с непосредственной передачей мыслей на расстояние. В будущем такой метод управления позволит усовершенствовать различные производственные процессы и транспортирование.

         Много усилий затрачивается на поиск источников электроэнергии у животных. В качестве биоэлектростанции можно применить, например, электрического угря. Во время опыта в течение 8 ч мышь без вреда для здоровья питала своей энергией радиопередатчик. Может быть в будущем крупные животные будут в течение всей своей жизни поставлять нам дешевую энергию, получаемую от биотоков.

          Биологический элемент, состоящий из двух электродов (из пла-ины и нержавеющей стали), имеет э. д. с. 0,1 ... 0,65 В и мощность 114 ... 155 мкВт. Один электрод приживляется на животе крысы, собаки или кролика, а другой — под кожей на груди. Электроды можно также разместить в любом месте системы кровообращения. Тем самым мы как бы получаем разновидность «жидкого топлива»[3, с. 73].

         Установлено, что даже растения имеют электрические потенциалы, хотя и менее интенсивные, чем у людей или животных. Речь может идти о биоэлектрической стимуляции развития растений. Если это удастся, то урожаи будут более частыми и обильными.

         В России и США в последние годы построены чувствительные приборы, регистрирующие токи нервных волокон растений и деревьев. Благодаря этому можно получить, например, «электрический пейзаж». Случайно открыто, что длинные волосы и борода могут дополнительно влиять на музыкальное восприятие, так как являются особого рода рецепторами[6].

Глава 3.Открытые горизонты и цели нейробионики.

    Рассмотрение процессов переработки информации в живых организмах и автоматах явилось основой создания двух направлений: биокибернетики, цель которой изучить процессы управления в живых организмах, используя методы кибернетики, и бионики, применяющей принципы управления в живых системах при создании новых кибернетических систем. Соответственно следует определить нейрокибернетику как направление, связанное с изучением процессов управления и переработки информации в нервной системе, и нейро-бионику — как наиболее перспективный раздел бионики, ставящий своей целью изучение и моделирование деятельности нервной системы человека и животных для нужд техники.

    Темпы научно-технического прогресса, так называемый информационный взрыв, усложняющиеся экологические условия обитания человека, обусловленные освоением космического пространства и Мирового океана, выдвигают нейро-бионику в число наиболее актуальных, «горячих точек» современной науки.

     Несмотря на грандиозные успехи науки и техники, есть чему поучиться у живой природы. Это говорил еще Леонардо Да Винчи: «Милостивая природа позаботилась так, что ты во всем мире найдешь чему подражать». Физик Ч. Сноу говорил, что в конце 20 столетия мерилом образованности служит знание основ молекулярной биологии и нейрофизиологии. Многие ученые считают будущий век — веком биологии. Конструкторы различных технических устройств (автоматизации, электроники, сверхмощных ЭВМ, искусственного интеллекта) могут позавидовать компактности, надежности и способам переработки информации в живых системах. Простое копирование живых объектов было основным лозунгом бионики. Тривиален пример создания самозатачивающихся резцов, эхолокаторов, «электронных» глаз, ушей, средств обоняния и т. д. Что уж говорить о микроминиатюрности и надежности элементов мозга: считают, что плотность нейронов мозга человека — 225 млн элементов в см3; ежедневно в нашем мозгу отмирает 100 тыс. нервных клеток, однако в нормальных условиях он не теряет своей работоспособности; считается, что объем памяти человека достигает минимум 1013 бит информации. Рецепторы, включая зрение, насчитывают 300 млн чувствительных клеток, соединенных с мозгом 3 млн нервных волокон. При этом считается, что осмысленной обработке подвергается всего 100 бит/с. Неясно, как осуществляется такое «сжатие» иформадии. Поэтому нужно идти дальше — от копирования тех или иных «устройств» к моделированию основных закономерностей живого. Бесспорно, копирование полезно: например, давно бы избавились от флаттера — вибраций, разрушающей самолет, если бы своевременно присмотрелись к устройству крыльев бабочек; удалось бы значительно ускорить плавание морских судов, зная «секреты» рыб; улучшили бы распознавание образов, зная принципы этого процесса у живых систем. В этих системах есть совершенно миниатюрные датчики огромной чувствительности: некоторые рыбы реагируют на пахучие вещества с концентрацией — 14 мг/см3; теплоанализатор на голове гремучей змеи фиксирует изменение температуры в 0,001 . Брюшко обыкновенной пчелы — весьма чувствительный индикатор загрязнения воздуха его используют как основной элемент биоэлектронного регистратора. Новый индикатор пчелы в состоянии отличить папиросный дым от дыма трубки, определяет количество алкоголя в выдыхаемом воздухе и замечает одну миллионную часть грамма химических загрязнителей питьевой воды[3,с. 167].

    Именно нейробионика способна решить такие жгучие проблемы, как биоэлектрическое управление и биопротезирование (киборгизация) нервно-мышечных аппаратов (протезы улитки уха, восстановление деятельности парализованных мыши и нервов и. т. д.). Вживленные протезы и стимуляторы носят уже тысячи людей.

     Начинает решаться проблема симбиоза человека и машины, мозга и ЭВМ. В круг проблем бионики и нейро-бионики входит изучение и моделирование жизнедеятельности высокоорганизованных организмов, корректировка их поведения (управление сигналами живого организма техническими устройствами, например, использование сигналов глазодвигательной системы для управления летательными объектами в условиях большой перегрузки, так и управление функциями мозга и других его систем для нормализации и интенсификации его деятельности). Известно, что в 60 % случаев отказов в нормальном функционировании механизмов «виноват» человек. Два из трех летных происшествий происходит из-за ошибок летного состава. По зарубежным данным аварии при запусках ракет следует отнести за счет «человеческого фактора»; в 63,3 % морские корабли сталкиваются, тонут, садятся на мель из-за ошибок людей[3,с. 171].

    Необходимо сочетать ближние и дальние цели. Одной из дальнейших целей является использование биологических принципов для познания собственного организма, работы нашего мозга, с одной стороны, и с другой — создание новых совершенных механизмов, машин, систем, базирующихся на использовании биологических принципов деятельности, сформировавшихся на протяжении миллионов лет эволюции живого на земле. Здесь заложено одно из основных направлений НТР. При прогнозировании ближайшего будущего утверждают, что во главу угла станет создание живого из неживого, уяснение работы мозга животных и человека, таких явлений, как память, эмоции и мышление, и на этой основе управление ими.

        Биологические науки позволяют создать новые технические средства и инженерные решения, дающие возможность человеку неизмеримо увеличить как свои возможности, так и власть над окружающей его средой (под термином «среда» мы понимаем не только непосредственное воздействие информационных факторов, непрерывно «бомбардирующих» нас со всех сторон, но и влияния, изменяющие нашу жизнь в пределах Солнечной системы, Галактики).

     Биология дает нам возможность «позаимствовать» ее патенты. Скажем, современный самолет в 10 раз уступает птице по грузоподъемности на единицу силы двигателя[5].

    Сведя элементы современных ЭВМ к размерам нервных клеток, мы имели бы «машинный мозг», измеряемый миллиграммами. Нетрудно предвидеть, что микроэлектроника в ближайшие десятилетия позволит приблизиться к «плотности компановки» (как выражаются инженеры) кирпичиков мозга (225 млн в см3), резко снизив габариты ЭВМ и их быстродействие. На деле, нейрон — сверхбольшая микросхема[3,с. 187].

    Подсчитали, что элементарными активными элементами нейрона можно считать отдельные молекулы белка ионных каналов. Тогда правомерно допустить, что «нейро-микросхема» содержит 1011 —1012 активных элементов. Это — максимальная оценка. Если же снизить эту оценку до числа его контактов (синапсов) с другими нейронами то получим цифру что-то около 104. Но существенна не только «количественная» часть — в мозгу нейроны сами организуются (в точности пока это не известно) в определенную отлаженную схему; могут перестраиваться, соединяться в «ансамбли» по вероятностным законам. Это — основа нашей памяти и активной защиты при «поломке» подсистем мозга и его приспособления к окружающей среде.

     Эти примеры могут дать хороший толчок для развития техники, но при условии ее тесной «стыковки» с биологией.

   Маккалок определил бионику так: «...Джек Стил удачно составил слово «бионика» из «бион», что означает нечто живое, и «ика» означающее науку о чем-то. Будучи рождена как сочетание науки и искусства, она представляет собой, очевидно, незаконнорожденное образование, не имеющее официального прошлого, но зато имеющее многообещающее будущее и наделенное, как все гибриды, большой жизненной силой. Это нечто вроде гибрида скальпеля с паяльником. Бионика пытается путем тонкого изучения способов связи и управления в биологических системах улучшить конструкцию и характеристики искусственных, главным образом электронных систем, чтобы приблизить их по надежности, гибкости, приспособляемости и экономности к их естественному прототипу».

      Это направление предполагает широкое использование методов различных наук для познания живого в целях создания новой технологии. Техника по своей природе носит двойственных характер - с одной стороны, она создана мыслящим человеком и как таковая содержит в себе элементы социальной, т. е. высшей по сравнению с биологической, формы движения (примером может служить возможность логической переработки информации в современных информационно-логических системах). С другой стороны, технические процессы любой степени сложности реализовались (и пока еще реализуются) только в системах, созданных на неорганической основе (низшие по сравнению с биологической, формы движения материи). Относительная «простота» элементов, образующих технические системы, определяет неизбежное «несовершенство» структуры, способа связи элементов образующих эти системы. Отсюда — задача «переноса» некоторых форм функционирования биологических систем в системы технические. Так возникает бионический подход, исходящий из того, что грубо говоря, часто лучше не изобретать заново, а открывать существующее у живой природы, в ходе эволюции селектировавшей оптимальные (в соответствующих условиях) решения.

      Понятно, что между мирами техники и биоэволюции существуют глубокие различия, и полезно знать, где, в каких областях, в каких аспектах эти различия настолько велики, что технологическое моделирование живого оказывается невозможным или нецелесообразным. Однако столь же необходима и ясность относительно черт общности технологии и жизни, ибо естественно, что «заимствование» у живой природы будет тем успешнее, чем больше объективное сходство между соответствующими системами.

      Создаётся впечатление, что мы стоим на пороге коренных нововведений в саму систему мышления нейрофизиологов, психологов, всех, кто занимается биологическим аспектом искусственного интеллекта, сопоставимых, пожалуй, с теорией относительности, принципами дополнительности и неопределенности.