Элементы кибернетики нервной системы
Нейрокибернетика (кибернетика нервной системы) — наука, изучающая
процессы управления и связи в нервной системе. Такое определение
предмета и задач кибернетики нервной системы позволяет выделить три
составных компонента (раздела) ее: организация, управление и информа
ционная деятельность.
В сложных полифункциональных интегративных системах мозга невоз
можно раздельное функционирование элементов организации, управления
и информационной деятельности; они тесно связаны и взаимообусловле
ны. Организация нервной системы во многом предопределяет механизмы
управления и эффективности передачи и переработки информации.
Организация.В центре внимания теории организации и самоорганиза
ции в нейрокибернетике лежит представление о системных свойствах кон
струкции мозга. Система — совокупность элементов, где конечный резу
льтат кооперации проявляется не в виде суммы эффектов, составляющих
элементы, а в виде произведения эффектов, т.е. системность как характер
ное свойство организованной сложности предполагает неаддитивное сло
жение функций отдельных компонентов.
Отдельный нейрон является носителем свойств, позволяющих ему интег
рировать влияние других нейронов, строить свою активность на основании
оценки результатов интеграции. С другой стороны, на основе таких свойств
происходит объединение нейронов в системы, обладающие новыми свойст
вами, отсутствующими у входящих в их состав единиц. Характерной чертой
таких систем является то, что активность каждого составного элемента в них
определяется не только влияниями, поступающими по прямым афферент
ным путям каждого элемента, но и состоянием других элементов системы.
Свойство системности в нервных образованиях возникает тогда, когда дея
тельность каждой нервной клетки оказывается функцией не только непо
средственно поступившего к ней сигнала, но и функцией тех процессов,
Которые происходят в остальных клетках нервного центра (П.Г. Костюк).
Нервная система животных и человека — самая совершенная по струк
туре система, разнообразие форм и размеров клеток которой не имеет ана
лога ни в какой другой физиологической системе биологического организ
ма. Все многообразие и сложность форм нервных клеток в разных струк
турах и органах есть результат и основа богатого разнообразия функций
элементов ведущей регуляторной системы организма. Часто наблюдаемые
петлеобразные структуры в архитектонике волокнистых структур мозга
(боковые и возвратные ветви аксонных отростков), обеспечивающих воз
можность циркуляторного прохождения информации, очевидно, выполня
ют функции механизма обратной связи.
Важным моментом организации и самоорганизации служит системооб
разующий фактор — результат действия (П.К. Анохин). Реальной физио
логической системой нейронов является комплекс нервных клеток, у ко
торых взаимодействие и взаимоотношения приобретают характер взаимо
действия элементов на получение фиксированного полезного результата
(см. раздел 3.3).
Управление.Суть процесса управления заключается в том, что из
множества возможных воздействий отбираются и реализуются те, которые
направлены на поддержание, обеспечение рассматриваемой функции
органа. Управление представляет собой информационный процесс,
предусматривающий обязательность контроля за поведением объекта бла
годаря кольцевой, или круговой, передаче сигналов. Это предусматривает
два вида передачи информации: по цепи управления от регулятора к объ
екту и в обратном направлении — от объекта к регулятору, при помощи
положительной и отрицательной обратной связи, по которой поступает
информация о фактическом состоянии управляемого объекта.
Информационная функция.Ведущая роль нервной системы в организме
определяется ее управляющей функцией по отношению к другим органам
и тканям, обеспечиваемой благодаря способности воспринимать и перера-
батывать информацию в целях оптимального приспособления организма к
стохастической внешней среде. В процессе эволюционного филогенетиче
ского совершенствования нервных структур как ведущей информацион
ной системы организма конструктивные особенности мозга определяют
высокую адекватность (оптимальность) его коммуникационных систем: на
мультиклеточном уровне центральные нервные образования вместе с ре
цепторами и эффекторами составляют информационное поле с богатей
шими возможностями для обработки сигналов.
Основным носителем информации в нервных клетках являются импульс
ные потоки, состоящие из отдельных импульсных сигналов стандартной ам
плитуды — распространяющихся ПД.
Центральным моментом в информационной деятельности нервных
структур является кодирование, суть которого составляет процесс преобра
зования сообщения из одной формы в другую. Трансформированная в ре
цепторах информация подвергается в организме многократным дальней
шим превращениям на разных стадиях и уровнях организации нервной
системы. Тонкая электрохимическая физиология рецепторов и синаптиче-
ских соединений характеризует физический субстрат элементарных ин
формационных превращений.
В деятельности нервной системы значительное место занимают спосо
бы, методы пространственного кодирования информации, обеспечиваю
щие высокую экономичность передачи информации о пространственном
расположении, характеристике стимулов. Формы пространственного ко
дирования информации в дополнение к различным видам временного коди
рования (интервальное, частотное и др.) существенно повышают информа
ционную емкость нервных структур.
Сравнение суммарного информационного потока, поступающего в жи
вой организм через органы чувств (3-Ю9 бит/с), с количеством информа
ции, необходимой для принятия целесообразного решения (20—25 бит/с),
указывает на высокую избыточность входной информации, наличие спе
цифических механизмов, уменьшающих количество информации по мере
ее продвижения в структурах анализатора (от рецепторов к центральному
отделу анализатора).
Из окружающей среды в организм в среднем поступает до 101 9 бит ин
формации в 1 с, но благодаря селективным свойствам сенсорных систем в
Мозг поступает лишь 101 7 бит информации. В процессе адаптивного при
способительного поведения животного организма значительная роль при
надлежит сенсорным реле — промежуточным узловым структурам сенсор
ных систем. Они выполняют функции выявления во входных посылках
физиологически важной информации. В результате в сенсорных реле, об
разующих фильтрующие центры, происходит регулирование суммарного
входного информационного потока в соответствии с требованиями других
отделов нервной системы и всего организма в целом.