Организм и механизм

Наши сведения о работе нервной системы, и в частности мозга, пока слишком скудны. Дать полную картину связи и управления в живом организме и выразить точным математическим языком все количественные закономерности для этих сложнейших процессов мы не можем.

Ученые-медики уже давно обнаружили, что живой организм общается с внешним миром посредством материальных носителей информации - сигналов. А восприятие и передача сигналов внутри организма осуществляется нервной системой.

Известно также, что в живом организме более широко и разнообразно, чем в технике, представлены системы автоматического регулирования с обратными связями.

И, наконец, установлено, что накопление и обработка информации осуществляется центральной нервной системой, включающей головной и спинной мозг.

Гениальный русский физиолог Сеченов еще в прошлом столетии писал: "...бодрствование с неизбежно сопровождающей его сменой чувствований различных родов и порядков поддерживается световыми, звуковыми, термическими, обонятельными и чисто механическими влияниями на органы чувств..."

Сеченов очень образно сравнивал рабочую деятельность всей нервно-мышечной системы с исполнением на фортепьяно заученной пианистом пьесы: "...Струны будут мышцами, клавиши - нервными центрами, а музыкант будет представлять неизвестного йам по природе агента, действующего из нервных центров по нервам на мышцы... Импульсы из центров по нервам к мышцам имеют форму прерывистых толчков, следующих друг за другом с Частотой 19 раз в секунду..."

Как видите, великий ученый почти сто лет назад не сомневался в том, что носителем информации в живом организме являются сигналы, или, как их называл Сеченов, толчки.

В те времена наука еще очень мало знала о физической природе толчков. Теперь известно, что сигналы в нервной системе являются импульсами электрического тока. Они возникают в результате электрохимических процессов, происходящих в возбужденном нерве. А информацию о внешнем мире организм воспринимает своими органами чувств посредством сигналов различной физической природы.

Сетчатка глаза воспринимает световые сигналы. Ее "пропускная - способность" достигает 4•10¹¹ единиц информации в секунду. Слуховой аппарат воспринимает звуковые сигналы со скоростью до 4•10⁶ единиц информации в секунду. Молекулы вещества, раздражающего обоняние, тепловые и механические воздействия - все это сигналы, вызывающиереакцию соответствующих нервных окончаний.

Нервная система живого организма состоит из огромного числа живых клеток-нейронов. Если посмотреть на нейрон в микроскоп, то видна крошечная ячейка размером около десятой доли миллиметра, от которой отходят тоненькие отростки разной длины. Один из них - осевой отросток, или аксон, - имеет большую длину - от нескольких сантиметров до метра. От него отходит несколько боковых волокон, а в конце он делится на ветви.

Аксон очень похож на длинный тонкий проводничок, не толще 20 микрон. Как настоящий электропровод, он покрыт изолирующей многослойной оболочкой. Живые провода объединяются в пучки и образуют что-то вроде многожильного кабеля. Такой пучок и есть нерв.

Каждый нерв живет собственной жизнью и выполняет определенные обязанности. Один, например, реагирует на механическое воздействие - укол, другой на температурное - ожог. Одни передают сигналы с периферии организма к центральной нервной системе. Это центростремительные каналы. А по центробежным каналам идут командные сигналы от центральной нервной системы к мышцам и другим исполнительным органам.

Нейроны, соединяясь друг с другом посредством отростков, или аксонов, образуют очень сложную и разветвленную систему связи с большим числом узловых точек - синапсов. По ней в разных направлениях, как в каналах электронной вычислительной машины, но с несравненно меньшей скоростью, бегут электрические импульсы.

Укол неожиданный

Допустим, нервная клетка получила внешний сигнал - укол, и раздражение вызвало изменение электрического потенциала - импульс длительностью всего в тысячную долю секунды и величиной 30-60 милливольт. Подобно искре по бикфордову шнуру, со скоростью, доходящей иногда до 160 метров в секунду, проносится импульс по живым каналам связи. Достигнув места назначения, импульс вызывает действие - сокращает мышцу, сообщает о боли, производит отметку в памяти.

Укол с предупреждением

А нервное волокно - нейрон, "утомленное" передачей им* пульса, "отдыхает". Только отдохнув сотые доли секунды, оно способно принять и передать новый сигнал. Нейрон пребывает либо в щдном покое, либо в состоянии полного возбуждения. Он работает гпо принципу "все или ничего".

Обозначьте одно такое состояние нолем, другое - единицей и получите двоичный код, по которому осуществляется передача информации.

Нервная система имеет большое сходство с логической сетью цифровой вычислительной машины. Здесь есть свои вентили, схемы разделения, отрицания и схемы, выполняющие более сложные логические операции.

Импульс, поступивший в нервную клетку, может пройти через нее к узлу - синапсу и дальше к следующей нервной клетке в зависимости от наличия или отсутствия других импульсов. Совсем как в электронной схеме И. Наоборот, импульс может закрыть выход из клетки. Это похоже на электронную схему НЕ.

Неожиданный укол иглой, и вы непроизвольным движением отдернули руку. Внешний сигнал породил импульс. Он прошел по своему каналу и вызвал сокращение мышцы. Но вот вам производят лечебный укол по назначению врача, и ваша рука остается неподвижной. Что изменилось? Из головного мозга пришел импульс, несущий "акт воли", - он закрыл выход сигналу, вызывающему сокращение мышцы.

Хотя всемогущие И, ИЛИ, НЕ, воплощенные в живых клетках, и выполняют сложнейшие логические операции по передаче сообщений в живом организме, все же ни одна, даже самая большая, электронная машина не может сравниться мощностью своей логической сети с гибкостью р мощностью нервной системы. Десятки, сотни тысяч нейронов принимает участие в выполнении даже самых простых действий.

Изучение организации связи в живом организме представляет интерес не только для медиков, но и для крнструкторов автоматических систем. Уже сейчас созданы и используются в вычислительных машинам разнробразные элементы, воспроизводящие логические функции нейронов. Можно полагать, что в дальнейшем электронные "нервные клетки" найдут самое широкое применение при конструировании автоматов,

А совсем недавно группой советских специалистов - инженеров, физиков и медиков - на основе анализа биотоков создана принципиально новая система управления - биоэлектрическая.

Мысль управляет машиной

Импульсы электрического тока, несупще информацию в живом организме - команды мышцам, вырабатываемые в центральной нервной системе, теперь сумели не только записать и измерить, но и передать в специальные устройства, которые преобразуют их в механические движения. Так была построена экспериментальная установка "железная рука". В ней с помощью токосъемного браслета биопотенциалы отводятся от той или иной мышцы руки, усиливаются и воздействуют на исполнительный механизм - искусственную руку. И когда оператор напрягает мышцу, искусственная рука подчиняется невидимому приказу.

Мы уже говорили, что нелегко на первых шагах развития нового предвидеть все, что оно принесет в будущем. Но в данном случае, когда ученые вплотную подошли к расшифровке информации, циркулирующей в нервной системе, можно строить самые смелые предположения.

"Биоточными руками", удлиненными с помощью проводов и радио, можно будет управлять сложными манипуляторами в атомных лабораториях, батисферами на дне океана, ракетными кораблями в космических далях.

Неоценимую услугу человечеству окажет биоэлектрическая система, когда ее широко применят в медицине. Специальный аппарат как бы возвратит двигательные способности людям с парализованными конечностями. Биоэлектрические протезы с обратными связями будут "чувствовать" тепло и влажность, упругость и гладкость.

Ученые уже работают и над созданием подлинных медицинских исследовательских "комбайнов" - машин для автоматического диагноза заболеваний. В такую машину поступят электрические сигналы, получаемые от центральной нервной системы, сердца, печени и других внутренних органов. Рентгенограммы, всевозможные анализы, температура и многие другие показатели будут проанализированы машиной, и она поставит наиболее вероятный диагноз из возможных при данных обстоятельствах.

Еще более многообещающая, но намного более трудная задача - исследование процессов управления в живых организмах. Не нужно обладать особой наблюдательностью, чтобы заметить огромную разницу в реакции автомата и живого организма на внешнее воздействие, отличие в "поведении" мертвой и живой системы.

Зная устройство машины, можно безошибочно предсказать, как она ответит на тот или иной сигнал из внешнего мира, как она будет вести себя в тех или иных условиях. Исходная информация и программа работы полностью определяют ее действия.

Иное дело живой организм. Его поведение порою кажется совершенно необъяснимым, любая мелочь, случайное стечение обстоятельств вызывают, на первый взгляд, неожиданную реакцию.

Вспомните странное поведение консула Джедди, одного из персонажей повести ОТенри "Короли и капуста".

В один из ничем не примечательных дней мимо сонного городка Коралио ?- крохотной столицы крохотной республики Анчурии, ютящейся на задворках какого-то второстепенного моря, - прошла красивая белая яхта. Когда Джедди после обеда вышел прогуляться к морю, небольшая волна прибила к берегу закупоренную винную бутылку из бесцветного стекла. В ней ничего не было, кроме двух листов мелко исписанной бумаги.

Сквозь стекло Джедди удалось прочитать некоторые заглавные буквы. По ним он узнал почерк Иды - девушки, которую он некогда любил.

"Много самых причудливых гипотез пришло ему в голову по поводу этой бутылки, но каждая в конце концов оказывалась вздором.

Такие бутылки порою бросают с тонущих или потерпевших аварию кораблей, вверяя этим ненадежным вестникам призыв о помощи. Но ведь не прошло и трех часов с тех пор, как он видел "Идалию": она была цела и невредима. Может быть, на яхте взбунтовались матросы, пассажиры заперты в трюме и письмом, заключенным в бутылке, молят о помощи? Нет, это слишком неправдоподобно, и, кроме того, неужели взволнованные узники стали бы исписывать мелким почерком четыре страницы, чтобы подробно доказывать, почему их необходимо спасти?

Так постепенно, путем исключения, он забраковал все эти невероятные гипотезы и остановился на одной, гораздо более правдоподобной: письмо в бутылке было адресовано ему. Ида знает, что он в Коралио; проезжая мимо, она бросила свое послание в море, а ветер пригнал его к берегу.

Едва Джедди пришел к такому выводу, как на лбу у него прорезалась морщинка и возле губ появилось выражение упрямства. Он продолжал сидеть, глядя в открытую дверь на гигантских светляков, бредущих по тихим улицам.

Если это послание было от Иды, о чем она могла писать ему, как не о примирении? Но в таком случае зачем она вверилась сомнительной и ненадежной бутылке? Ведь для писем существует почта. Бросать в море бутылку с письмом! Это легкомыслие, это дурной тон. Это даже, если хотите, обида!

При этой мысли в нем пробудилась гордыня, которая заглушила все прочие чувства, воскрешенные в нем найденной бутылкой.

Джедди надел пиджак и шляпу и вышел".

Он отправился к Пауле. "Ее костюм очаровал его: кисейное платье, все в оборках, с маленьким корсажем из белой фланели - какой стиль, сколько изящества и вкуса! Он предложил ей пойти прогуляться, и они побрели к старинному индейскому колодцу, выкопанному под горой у дороги. Сели рядом на колодезном срубе, и там Джедди наконец-то сказал те слова, которых от него так давно ждали. И хотя он знал, что ему не будет отказа, он весь задрожал от восторга, увидев, как легка была его победа и сколько счастья доставила она побежденной. Вот сердце, созданное для любви и верности. Не было ни кокетливых ужимок, ни расспросов, ни других, требуемых приличиями, капризов".

Джедди вернулся домой, полный спокойной, уверенной радости. "Он направился к письменному столу, чтобы достать обезьяне орешков. Шаря в полутьме, его рука наткнулась на бутылку. Он отпрянул, словно дотронулся до холодного, круглого тела змеи.

Он совсем забыл, что существует бутылка.

Он зажег лампу и стал кормить обезьянку. Потом очень старательно закурил сигару, взял в руки бутылку и пошел по дорожке к берегу. Была луна, море сияло. Ветер переменился и, как всегда по вечерам, дул с берега.

Приблизившись к самой воде, Джедди размахнулся и швырнул бутылку далеко в море. На минуту она исчезла под водой, а потом выпрыгнула, и ее прыжок был вдвое выше ее собственной вышины. Джедди стоял неподвижно и смотрел на нее. Луна светила так ярко, что ему было ясно видно, как она прыгает по мелким волнам - вверх и вниз, вверх и вниз. Она медленно удалялась от берега, вертясь и поблескивая".

В тот же вечер старый рыбак, живший в хижине на берегу, был разбужен криками людей с только что причалившей шлюпки. В ней под брезентом лежало безжизненное тело Джедди.

"...Еще немного, был бы утопленником. Мы увидели его за милю от берега, он плыл как сумасшедший за какой-то бутылкой. Казалось, что вот-вот он ее поймает, но тут он ослабел и погрузился в воду... Может быть, он еще жив..."

Джедди остался жив и спустя несколько времени женился на... Пауле.

Кто возьмется дать исчерпывающее объяснение необычайному поведению Джедди? Посудите сами, человек вдалеке от родины получает письмо от некогда горячо любимой девушки, из-за которой уехал на заброшенный берег. Не сделав даже попытки вскрыть бутылку и прочитать письмо, он тут же идет и делает предложение другой девушке; бросает бутылку в море. Смотрит равнодушно, как она уплывает и ее тайна исчезает. И... чуть не погибает, пытаясь догнать и вернуть бутылку. Оставшись живым, он без колебаний женится на другой.

Установить закономерности в цепочке действий, полной логических противоречий, не мог бы, наверное, и ОТенри. А можно ли вообще найти какие-либо общие закономерности в поведении живого существа, раскрыть программу, по которой "управляющее устройство" - центральная нервная система - осуществляет переработку информации?

У начинающего велосипедиста возбуждается почти вся двигательная область коры головного мозга

Оказывается, в живом организме "неожиданных" беспричинных реакций не бывает. Есть только очень сложные действия, вызываемые незаметными или неизвестными нам причинами, эмоциями, настроениями и, в частности, прошлой историей существования организма. А многие жизненные акты напоминают действия машин-автоматов. К ним прежде всего относятся функции организма, обеспечивающие постоянство внутренней среды - температуры, давления крови, содержания в ней сахара и так далее.

Все эти процессы регулируются в организме в большой мере автоматически и похоже на регулирование температуры в холодильнике или давления в паровом котле. Сложные системы регулирования с разветвленными обратными связями поддерживают условия, необходимые для нормальной жизненной деятельности организма. Усилилась работа какой-либо мышцы, и информация об этом поступила в систему регулирования. Кровеносные сосуды, питающие мышцу, расширяются, и приток крови к ней увеличивается.

Если в работу включилась большая группа мышц, то такой местной регулировки уже недостаточно. Необходимо увеличить приток кислорода - усилить дыхание и общее кровообращение. В действие включаются регулирующие системы более крупного масштаба.

Деятельностью организма по обеспечению необходимых условий внутренней среды управляет независимая, автономная нервная система, называемая вегетативной.

На ее функции сознание и воля не влияют так непосредст-г венно, как на работу мышц. Человек не может по своему желанию сразу менять, например, температуру тела или повлиять на работу желез.

Это вполне естественно и еще раз подтверждает целесообразность организации управления в живом организме. Представьте себе, что человеку пришлось бы сознательно поддерживать взаимосвязь между различными внутренними процессами, согласовывать во времени работу органов пищеварения, желез внутренней секреции, заботиться о нормальной подаче крови к органам тела и так далее. Он не мог бы подумать ни о чем другом. Да и на управление всеми функциями у него не хватило бы ни времени, ни внимания.

В значительной мере автоматически происходит также управление скелетной мускулатурой, движением, хотя в этом управлении участвует центральная нервная система и, в частности, головной мозг.

Движения, обеспечивающие устойчивость тела при ходьбе, беге, езде на велосипеде, реакция на боль, вздрагивание от неожиданного звука или прикосновения, чиханье, кашель и многие другие выполняются организмом машинально. Это безусловные рефлексы, или, как их называл Сеченов, отраженные движения.

У опытного велосипедиста процесс возбуждения сконцентрирован в определенных двигательных центрах

Здесь мы опять встречаемся с системой регулирования, снабженной связями. Информация от чувствительных нервных окончаний передается центростремительными каналами в спинно-мозговой центр, а от него по центробежному нерву идет команда к исполнительному органу. Она вызывает сокращение мышц.

Службу контроля исполнения - обратной связи - несут специальные нервные окончания, расположенные в мышцах и суставах. Благодаря им мы знаем положение органов нашего тела в пространстве, не глядя на них. Нарушение таких обратных связей ведет к тяжелым заболеваниям. Больной не чувствует, например, положение своих ног - он может ходить, только следя за их движением. В темноте или с завязанными глазами больной теряет равновесие.

Биотоки мышцы сердца и мозга

В управлении безусловными рефлексами участвует и головной мозг. Ему передается информация от спинного мозга, а он посылает в случае необходимости исполнительным органам импульсы, усиливающие или тормозящие безусловный рефлекс. Вспомните пример с лечебным уколом. А многие безусловные рефлексы управляются непосредственно головным мозгом, например вздрагивание от неожиданного звука, мигание век.

В управлении отраженными движениями головной мозг действует как автомат - с машинальной закономерностью.

"...Головной мозг, орган души, - писал Сеченов, - при известных условиях может производить действия роковым образом, то есть как любая машина, точно так, как, например, в стенных часах стрелки двигаются роковым образом оттого, что гири вертят часовые колеса".

Как видите, многие действия живого организма далеко не так загадочны, как это может показаться с первого взгляда. Человек уже очень много знает о самом себе и использует знания не только для улучшения деятельности своего организма, но и для создания автоматов, хотя бы внешне подражающих работе совершенного живого механизма.

Автоматический регулятор подражает рефлекторным действиям. Но система регулирования в живом организме неизмеримо совершенней, она обладает способностью к самонастройке. Изменились условия работы живого организма, и второй "этаж" управления - головной мозг - "настраивает" систему регулирования, меняет ее "параметры".

И в технике в последнее время ведутся обширные работы по созданию самонастраивающихся автоматов - роботов, умеющих приспосабливаться к изменению условий работы.

Система управления автоматической телефонной станции построена так, что для соединения абонентов, много раз в день разговаривающих друг с другом, требуется столько же времени, сколько и соединение абонентов, разговаривающих раз в год, а может быть, и реже. Каждому ясно, это не очень удобно. Вот и пытаются надстроить над существующей системой управления второй "этаж" - поставить ее под контроль другого управляющего устройства. Оно должно следить за работой основной системы и настраивать ее так, чтобы соединение одних абонентов производилось быстрее, чем других. Тогда автоматическая телефонная станция приобретает способность самосовершенствоваться в процессе работы.

Все глубже проникает могучий ум человека в тайну живого, раскрывая одну загадку за другой. Но тайн еще очень много, особенно в головном мозге - сероватом студенистом веществе, заключенном в черепную коробку.

Что нам о нем известно? Очень многое - если говорить об анатомии мозга, устройстве мозговых клеток, строении его отдельных частей и распределении "административных" функций между ними. Очень мало - когда речь идет о связях и взаимодействии между клетками, о путях прохождения сигналов, о механизмах накопления и хранения информации и алгоритмах ее обработки.

В последнее десятилетие внутренняя "жизнь" мозга привлекает особое внимание ученых.

Одна за другой возникают новые научные гипотезы, проводятся обширные эксперименты, и даже создаются разнообразные автоматы, моделирующие те или иные элементы работы мозга.

Мозг зажигает звезды на экране осциллографа. Видно распределение электрических токов мозга: (1) до решения арифметической задачи; (2) во время решения; (3) после решения

Понятно, с какими огромными принципиальными и техническими трудностями связано изучение живого мозга, особенно мозга человека. Здесь используются разные методы.

На операционном столе, под наркозом, вскрывают череп животного и обнажают поверхность мозга. Тогда оказывается возможным воздействовать на различные участки механическим, электрическим или химическим путем, забираться тонкими электродами в гущу мозгового вещества и раздражать электрически внутренние ткани.

Раздражение тех или иных участков мозга "включает" в работу разные группы мышц, и это позволяет построить "географические" карты структуры мозга, установить, хотя бы частично, пути прохождения сигналов к мозгу и от него.

Другой способ изучения - это электроэнцефалография. Две тонкие иглы, расположенные на некотором расстоянии друг от друга и касающиеся поверхности мозга, заставляют заговорить немое вещество на языке электрических импульсов. Катодный осциллограф регистрирует нервные электрические токи. По ним можно судить о процессах, происходящих в мозгу.

Но от таких экспериментов еще очень далеко до полной картины деятельности мозга - гигантского клеточного агрегата, образованного более чем 10 миллиардами ячеек. Да и сами эксперименты носят весьма ограниченный характер. Ведь нельзя безнаказанно копаться в клетках живого вещества, даже такого, каким является лишенный болевых ощущений мозг.

И еще труднее ответить на вопрос о том, как мозг анализирует получаемую информацию и перерабатывает ее, по каким программам он осуществляет процесс управления. Несомненно, одну из главных ролей здесь играет память - зрительная, слуховая, моторная и другие ее виды. Но механизм ее работы, взаимосвязь между отдельными видами памяти нам почти неизвестны.

Наиболее сложным, "загадочным" и вместе с тем важным свойством памяти человека является ее способность к ассоциации - сопоставлению разных сигналов, способность обеспечить определенное поведение.

Что происходит в голове ребенка, когда он заучивает слово "мяч"? Как оно раз и навсегда ассоциируется с круглым, упругим предметом? А как сохраняется умение ездить на велосипеде у человека, который сделал это хотя бы один раз в жизни? Ученые отвечают: в организме под влиянием внешних воздействий возникают механизмы условных рефлексов. Их изучению посвятил свою жизнь великий русский физиолог академик Павлов.

Условный рефлекс в отличие от безусловного не является врожденным свойством организма. Он вызывается тренировкой, обучением. Животное получает пищу - это специфический возбудитель, и одновременно звонит звонок - нейтральный возбудитель. Если звонок и пища появляются регулярно и одновременно, то после нескольких десятков опытов у животного начинается слюноотделение и только при звонке. Нейтральный возбудитель вызывает ту же реакцию, что и специфический.

Но это внешнее проявление условного рефлекса. Оно легко поддается изучению и даже моделированию.

А как происходят более сложные процессы: обучение, ассоциация, обобщение, абстракция? Каким образом многомиллиардный хаотический мир мозговых клеток объединяется под воздействием поступающих сигналов для выполнения целесообразной работы? Какова природа эмоции, темперамента? По каким программам реализуется процесс мышления, творчества?

Такие вопросы пока только задают, но "а них еще нет ответов. Над ними работают тысячи ученых, а конструкторы используют каждый новый шаг на пути к познанию закономерностей живого организма для создания все более совершенных автоматов.

Этот процесс познания бесконечен, как бесконечно разнообразны явления в живой природе, бесконечен процесс развития живого мозга.