естественно

181

Следствием такой организации является то, что первое звено («вход») подвергается влиянию последнего («выхода»). Это и позволяет осуществлять саморегулирование всей системы, поскольку изначальное влияние модифицируется каждый раз, когда оно обходит всю петлю. Обратная связь, по словам Винера, представляет собой «управление машиной на основе ее реального, а не ожидаемого поведения».

В более широком смысле, обратная связь стала означать передачу информации о результате любого процесса или любой деятельности к их первоисточнику.

Для наглядности принципов работы петли обратной связи, Винер приводил пример с рулевым, - один из простейших примеров петли обратной связи. Когда лодка отклоняется от

Рис. 40. Норберт Винер (англ. Norbert Wiener; 26 ноября 1894, Колумбия, штат Миссури, США— 18 марта 1964, Стокгольм, Швеция) — американский учёный, выдающийся математик и философ, основоположник кибернетики и теории искусственного интеллекта (Википедия).

установленного курса, скажем вправо, рулевой оценивает отклонение, а затем осуществляет противодействие, поворачивая руль влево. Это уменьшает отклонение лодки и даже может привести к переходу через нужное направление и отклонению влево. В некоторый момент, в ходе движения, рулевой производит новую оценку отклонения лодки, осуществляет новое противодействие, снова оценивает отклонение и так далее. Таким образом, поддерживая курс лодки, он полагается на постоянную обратную связь, причем

182

реальная траектория лодки все время колеблется относительно установленного направления. Мастерство управления лодкой состоит в том, чтобы сделать эти колебания как можно менее заметными.

Первое подробное обсуждение петель обратной связи появилось в статье Норберта Винера, Джулиана Бигелоу и Артуро Розенблюта, опубликованной в 1943 году и озаглавленной «Поведение, цель и телеология». В этой работе впервые было выдвинуто положение о том, что машины с отрицательной обратной связью представляют собой телеологические (целеполагающие) механизмы. В этой работе авторы не только представили идею круговой причинности как логического паттерна, лежащего в основе технической концепции обратной связи, но также впервые применили ее к модели поведения живых орга-

А

Б

Рис. 41. Формы петли обратной связи.

низмов.

Винер сформулировал это следующим образом:

«Мною выдвинут тезис о том, что физическое функцио-

183

нирование живых существ и действие некоторых новейших информационных машин абсолютно параллельны в их аналогичных попытках управлять энтропией посредством обратной связи. Как те, так и другие имеют сенсорные рецепторы в качестве первой ступени их цикла действия. Это означает, что как в одном, так и в другом случае существует специальное приспособление для накопления информации, получаемой от внешнего мира на низких энергетических уровнях, чтобы использовать эту информацию для работы живого существа или машины. В обоих случаях эта поступающая извне информация не принимается в чистом виде, а перерабатывается внутренними преобразующими силами механизма, живого или искусственного. Затем эта информация преобразуется в новую форму, пригодную для дальнейших ступеней работы. Как у животного, так и в машине эта работа производится для того, чтобы оказывать влияние на внешний мир. В обоих случаях фактическое их действие на внешний мир, а не просто запланированное действие сообщается обратно в центральный регулирующий орган».

Зарубежные кибернетики, исследования которых основывались на математике и технике, такие, как Н. Винер и У. Р. Эшби, часто говорили о гомеостатических свойствах общества. Гомеостат — это вероятностный механизм, способный адаптироваться так, что он достигает равновесия и оказывается «целенаправленным» (Эшби У.Р., 1959).

Винер верил, что управляющий механизм общества — это его правовая система и что общество постоянно корректирует свои законы на основе информации, получаемой при помощи обратной связи об уровне беспорядка в обществе (Винер Н., 1958)

Управление, или регуляция, в живых организмах представляет собой совокупность процессов, обеспечивающих необходимые режимы функционирования, достижение определенных целей или полезных для организма приспособительных результатов. Управление возможно при наличии взаимосвязи органов и систем организма. Процессы регуляции охватывают все уровни организации системы: молекулярный, субклеточный, клеточный, органный, системный, организменный, надорганизменный (популяционный, экосистемный, биосфер-

184

ный). Законы управления в сложных системах изучает кибернетика — наука об общих принципах управления в машинах, живых системах и обществе.

Биологическая кибернетика представляет собой научное представление, в котором идеи, методы и технические средства кибернетики применяются к рассмотрению задач биологии и физиологии .Биологическая кибернетика состоит из теоретической и практической частей. Задачей теоретической части является изучение общих вопросов управления, хранения, переработки и передачи информации в живых системах.

Важнейшей задачей практической части являются методы моделирования структур и поведения биологических систем. В развитии этих методов включаются вопросы конструирования искусственных систем, воспроизводящих деятельность отдельных органов, их внутренних связей и внешних взаимодействий. В этом направлении биологическая кибернетика тесно смыкается с медицинской кибернетикой

Медицинская кибернетика, научное направление, связанное с проникновением идей, методов и технических средств кибернетики в медицину. Развитие идей и методов кибернетики в медицине осуществляется в основном в направлениях создания диагностических систем для различных классов заболеваний с использованием универсальных или специализированных ЭВМ; создания автоматизированного электронного медицинского архива; разработки математических методов анализа данных обследования больного; разработки метода математического моделирования на ЭВМ деятельности различных функциональных систем; использования математических машин для оценки состояния больного.

С позиций медицинской кибернетики, для выполнения своих биологических функций структуры любого уровня сложности, начиная от молекул и вплоть до целого организма, нуждаются в системах регуляции. Эти системы обеспечивают взаимодействие различных структур уже в состоянии физиологического покоя. Но особенно проявляется их значение в активном состоянии при взаимодействии организма с меняющейся внешней средой, так как любые изменения ее требуют адекватного ответа организма. При этом одним m обязатель-

185

ных условий самоорганизации и саморегуляции является сохранение свойственных организму постоянных условий внутренней среды, обозначаемых понятием гомеостаз.

Ритмичность физиологических функций. Физиологиче-

ские процессы жизнедеятельности даже в условиях полного физиологического покоя протекают не всегда с постоянной активностью. Усиление или ослабление их происходит под влиянием сложного взаимодействия экзогенных (внешних) и эндогенных (внутренних) факторов, что получило название — биологические ритмы. Причем периодичность колебаний функциональной активности различных органов варьирует в чрезвычайно широких пределах, начиная от периода менее 0,5 часа вплоть до многодневных и даже многолетних.

Врезультате эволюционного развития в организме человека сформировалась сложная система регуляции функций, обеспечивающая как сохранение устойчивости организма, так

иего приспособительную изменчивость — адаптацию к различным условиям существования. Эта система создает высокую надежность функционирования органов, их систем и организма в целом.

Воснове механизмов регуляции функций лежат принципы, которые нашли наиболее полную разработку в науке, именуемой «кибернетика».

Для управления системой любой сложности необходимы, как минимум, следующие блоки: управляемый объект, управляющий центр, прямая связь, обратная связь.

Особо следует подчеркнуть необходимость обратной связи, функциональным назначением которой является оценка правильности реагирования управляемом структуры на команду. Сигналы обратной связи, позволяя оценить ответную реакцию, могут быть использованы для уточнения команды, если должный эффект не был достигнут. Данные сигналы бывают двух типов: положительные и отрицательные.

Положительная обратная связь заключается в том, что при увеличении какого либо параметра действие усиливается. Отрицательная обратная связь заключается в противоположном эффекте: рост регулируемого параметра приводит к снижению функциональной активности органа. Подобный тип обратной

186

связи наиболее типичен для организма человека.

По структурам прямой связи передаются команды от управляющего центра к управляемому объекту, А по обратной связи передаются сигналы о состоянии управляемого объекта. В основе передаваемой сигнализации лежит передача информации В теории информации сам этот термин используется только по отношению к измеримои сигнализации. Информация означает устранение неопределенности в знаниях конкретном событии, которое выражается в количественно измеримых единицах. Чем необычнее некоторое событие, тем меньше вероятность его проявления, а значит, информация о нем имеет большую величину. Если событие должно обязательно произойти, то информация о нем равна 0.

И кибернетике информация измеряется в «битах», в основе которых лежит двоичный код (к примеру, «да/нет», «один/ноль»). Количество информации, передавемое одним двоичным символом, составляет один бит. Такой подход, не учитывающий природу используемого носителя и символа, позволяет сравнивать количественную характеристику любого вида информации. То есть в основе данного подхода лежит принцип кодирования информации. Информация передается по каналам связи именно в закодированном состоянии. Для этого необходимы соответствующие структуры, которые кодируют информацию при ее возникновении и декодируют при поступлении к управляемому объекту.

Кроме этого важнейшее значение при передаче информации по каналам связи Принадлежит избыточности информации, так как зачастую из-за помех при передаче возможно искажение информации, утрата части ее или потеря всей. Для преодоления данной ситуации применяется принцип избыточности.

В живом объекте указанные выше кибернетические принципы представлены в полном объеме. Любая передача регуляторных команд в организме всегда происходит с избытком, когда команды передаются с избытком по одному контуру, либо параллельно для надежности используется два или более механизмов регуляции. У человека при регуляции различных функций и процессов в органе, системе органов и ор-

187

ганизме в целом могут использоваться до четырех систем. Древнейшей формой взаимодействия, которая прояв-

ляется внутри клетки и между отдельными клетками, является химическое взаимодействие. Оно осуществляется двумя типами веществ: а) неспецифическими продуктами обмена (метаболитами) специфическими регуляторами, биологически активными соединениями.

Большинство указанных регуляторов синтезируется во многих органах, но для некоторых из них сформировались самостоятельные образования (железы). Они могут влиять на процессы, происходящие в самой клетке, либо выделяться во внешнюю среду. Здесь они всасываются (чаще всего в кровь) и с кровью разносятся по организму. Поэтому такой механизм регуляции именуется гуморальным (Humor — жидкость, кровь).

Эволюционно позднее, с появлением у живых существ нервной системы появились нервные механизмы регуляции.

Кроме двух этих основных следует учитывать наличие в организме генетической системы регуляции и иммунных механизмов.

Управление осуществляется с использованием двух основных принципов: 1) по рассогласованию (отклонению); 2) по возмущению.

Управление по рассогласованию предусматривает наличие механизмов, способных определить разность между задаваемым и фактическим значением регулируемой величины или функции. Эта разность используется для выработки регулирующего воздействия на объект регуляции, которое уменьшает величину отклонения. Примером такого управления является стимуляция образования глюкозы при уменьшении ее содержания в крови. Это уменьшение определяется клетками гипоталамуса, которые стимулируют выработку адренокортикотропного гормона в гипофизе. Последний усиливает образование глюкокортикоидов (кортизола) в надпочечниках. Кортизол стимулирует в печени образование глюкозы из аминокислот (глюконеогенез), что приводит к восстановлению нормального содержания глюкозы в плазме крови.

Управление по возмущению предусматривает использо-

188

вание самого возмущения для выработки, компенсирующего воздействия, в результате которого регулируемый показатель возвращается к исходному состоянию. Например, уменьшение парциального давления 02 в атмосферном воздухе при подъеме на высоту является возмущающим воздействием для системы дыхания, обеспечивающей оптимальное для метаболизма содержание кислорода в крови. Увеличение частоты и глубины дыхания, скорости кровотока, количества эритроцитов в крови отражает процессы регуляции по возмущению, направленные на восстановление исходных показателей содержания кислорода.

3.6. Свойства нервных центров

Рефлекторная деятельность организма во многом определяется общими свойствами нервных центров.

Нервный центр — совокупность структур центральной нервной системы, координированная деятельность которых обеспечивает регуляцию отдельных функций организма или определенный рефлекторный акт. Представление о структурнофункциональной основе нервного центра обусловлено историей развития учения о локализации функций в центральной нервной системе. На смену старым теориям об узкой локализации, или эквипотенциальности, высших отделов головного мозга, в частности коры большого мозга, пришло современное представление о динамической локализации функций, основанное на признании существования четко локализованных ядерных структур нервных центров и менее определенных рассеянных элементов анализаторных систем мозга. При этом с цефализацией нервной системы растут удельный вес и значимость рассеянных элементов нервного центра, внося существенные различия в анатомических и физиологических границах нервного центра. В результате функциональный нервный центр может быть локализован в разных анатомических структурах. Например, дыхательный центр представлен нервными клетками, расположенными в спинном, продолговатом, промежуточном мозге, в коре большого мозга.

Нервные центры имеют ряд общих свойств, что во мно-

189

гом определяется структурой и функцией синаптических образований.

1.Односторонность проведения возбуждения. В рефлекторной дуге, включающей нервные центры, процесс возбуждения распространяется в одном направлении (от входа, афферентных путей к выходу, эфферентным путям).

2.Иррадиация возбуждения. Особенности структурной организации центральных нейронов, огромное число межнейронных соединений в нервных центрах существенно модифицируют (изменяют) направление распространения процесса возбуждения в зависимости от силы раздражителя и функционального состояния центральных нейронов. Значительное увеличение силы раздражителя приводит к расширению области вовлекаемых в процесс возбуждения центральных нейронов — иррадиации возбуждения.

3.Суммация возбуждения. В работе нервных центров значительное место занимают процессы пространственной и временной суммации возбуждения, основным нервным субстратом которой является постсинаптическая мембрана. Процесс пространственной суммации афферентных потоков возбуждения облегчается наличием на мембране нервной клетки сотен и тысяч синаптических контактов. Процессы временной суммации обусловлены суммацией ВПСП на постсинаптической мембране.

4.Наличие синаптической задержки. Время рефлекторной реакции зависит в основном от двух факторов: скорости движения возбуждения по нервным проводникам и времени распространения возбуждения с одной клетки на другую через синапс. При относительно высокой скорости распространения импульса по нервному проводнику основное время рефлекса приходится на синаптическую передачу возбуждения (синаптическая задержка). В нервных клетках высших животных и человека одна синаптическая задержка примерно равна 1 мс. Если учесть, что в реальных рефлекторных дугах имеются десятки последовательных синаптических контактов, становится понятной длительность большинства рефлекторных реакций — десятки миллисекунд.

Высокая утомляемость. Длительное повторное раздраже-

190

ние рецептивного поля рефлекса приводит к ослаблению рефлекторной реакции вплоть до полного исчезновения, что называется утомлением. Этот процесс связан с деятельностью синапсов — в последних наступает истощение запасов медиатора, уменьшаются энергетические ресурсы, происходит адаптация постсинаптического рецептора к медиатору.

6.Тонус. Тонус, или наличие определенной фоновой активности нервного центра, определяется тем, что в покое в отсутствие специальных внешних раздражений определенное количество нервных клеток находится в состоянии постоянного возбуждения, генерирует фоновые импульсные потоки. Даже во сне в высших отделах мозга остается некоторое количество фоновоактивных нервных клеток, формирующих «сторожевые пункты» и определяющих некоторый тонус соответствующего нервного центра.

7.Пластичность. Функциональная возможность нервного центра существенно модифицировать картину осуществляемых рефлекторных реакций. Поэтому пластичность нервных центров тесно связана с изменением эффективности или направленности связей между нейронами.

8.Конвергенция. Нервные центры высших отделов мозга являются мощными коллекторами, собирающими разнородную афферентную информацию. Количественное соотношение периферических рецепторных и промежуточных центральных нейронов (10:1) предполагает значительную конвергенцию («сходимость») разномодальных сенсорных посылок на одни и те же центральные нейроны. На это указывают прямые исследования центральных нейронов: в нервном центре имеется значительное количество поливалентных, полисенсорных нервных клеток, реагирующих на разномодальные стимулы (свет, звук, механические раздражения и т. д.). Конвергенция на клетках нервного центра разных афферентных входов предопределяет важные интегративные, перерабатывающие информацию функции центральных нейронов, т. е. высокий уровень интеграционных функций. Конвергенция нервных сигналов на уровне эфферентного звена рефлекторной дуги определяет физиологический механизм принципа «общего конечного пути» по Ч. Шеррингтону.