4. Обучение, условные рефлексы и случайность

Сейчас мы рассмотрим живой организм, который живет, развивается, действует и испытывает влияние внешней среды. Среда эта является его кормилицей, воспитателем, учителем, другом, врагом и судьей одновременно. Естественно, чтобы жить в этой среде, организм должен приспособиться к ней, приобрести определенные привычки, закрепить навыки, которые сделают его жизнь более или менее сносной.

Вопросы обучения и приспособления организмов нас будут интересовать не как физиологов, а как инженеров, пытающихся использовать принципы живой природы в технических устройствах.

Создать техническую систему, выполняющую сложную функцию, чрезвычайно трудно. Например, нелегко сделать автоматическую линию, изготовляющую автомобиль "Волга". Но, пожалуй, еще труднее переделать ее на изготовление "Чайки". Ведь придется фактически сделать новую автоматическую линию для производства более сложной машины! А через несколько лет и этот автомобиль устареет и будет заменен более совершенным. Значит, придется делать новую, еще более сложную автоматическую линию. А нельзя ли поступить так: сделать одну линию, но такую, которую легко можно было бы "переучивать" на выпуск новых марок машин?

Нелепо? Нет! Принципиально вполне возможно!

Так почему же таких обучаемых автоматических линий нет?

А потому, что пока неизвестно, как это сделать. И именно поэтому чисто техническая необходимость заставила инженеров обратить внимание на поведение живых организмов, которые обладают свойствами и возможностями, далеко опережающими самые "умные" машины. В основу конструкции машин будущего может и должна быть положена способность к приспособлению, обучению и переучиванию, свойственная всем живым организмам.

Что же такое обучение? Чтобы ответить на этот вопрос, нам придется затронуть еще несколько других, в каждом из которых элемент случайности играет существенную или даже определяющую роль.

Как было сказано раньше, обучение, как и приспособление, происходит в результате взаимодействия организма с внешней средой, или же ученика с учителем. Определяя в процессе обучения их отношения, мы выделим одну из наиболее совершенных схем обучения, которая имеет место, например, в человеческом обществе. Речь идет о так называемой школьной системе обучения.

Другая форма обучения основана на подражательной способности ученика. Здесь ученик стремится повторять квалифицированные действия учителя, который не объясняет, а лишь корректирует действия ученика.

Если же обучение выполняется внешней средой без специального учителя, то такое обучение, будем называть самообучением.

Рассмотрим каждую форму обучения в отдельности.

Обучение за партой

Оно имеет две стадии. На первой (рис. 48) учитель сообщает ученику сведения, необходимые для обучения. Ученик воспринимает информацию, перерабатывает ее и запоминает. В противном случае он ничему не обучится. Учитель на первой стадии не знает, воспринимает ли ученик то, что ему сообщается, или только делает вид, что воспринимает. Следовательно, эффективное обучение должно предусматривать проверку и оценку учителем степени восприятия, понимания и запоминания передаваемых ученику сведений.

Рис. 48

Эта вторая стадия обучения показана на рисунке 49. Учитель задает ученику контрольный вопрос, чтобы выяснить, насколько он усвоил материал на первой стадии. Ученик отвечает и тем самым дает возможность учителю выяснить степень обученности. После этого учитель сообщает ученику оценку его знаний, определяя тем самым, насколько он правильно воспринял, понял и запомнил переданную ему информацию.

Рис. 49

Заканчивается процесс обучения каким-то выводом, выражающимся в поощрении - наказании учащегося. В руках учителя имеется много средств воздействия, перепробованных за всю историю педагогики. Цель этого воздействия - стимулировать ученика к правильному восприятию.

Описанная схема учебы весьма поверхностна и не затрагивает вопросов о том, как воспринимает и запоминает информацию ученик и в чем заключается ее переработка. Они рассматриваются психологией и обсуждаться здесь не будут. Необходимо лишь подчеркнуть, что такая система обучения предполагает наличие отшлифованных знаний, которые следует передать ученику и которые могут ему пригодиться в дальнейшем.

Именно поэтому такая система является государственной. Все школы, училища, вузы применяют указанную систему.

Итак, школьная система, кроме ученика, обязательно должна иметь:

1. Учителя, осведомленного в предмете и непременно умеющего изложить этот предмет.

2. Методику опроса и оценки знаний учеников как обратную связь в процессе обучения.

Описанная система обучения имеет как преимущества, так и недостатки. К числу ее преимуществ следует отнести то, что она дает учащимся возможность овладеть как довольно абстрактными областями знаний: математика, физика, - так и узнать большое число фактов: история, география.

И все же далеко не всему может учить подобная школьная система. Так, овладение законами логики еще не значит умение логически мыслить; анализ творческого процесса не может научить творить, а изучение основ и особенностей юмора не всегда может воспитать чувство юмора. Такая категория человеческих знаний нуждается в другой форме обучения. Назовем ее подражательной.

Делай как я!

Если школьная форма обучения имеет место только в человеческом обществе, то подражательная распространена значительно шире: ее мы наблюдаем во всем животном мире.

Смысл этой формы обучения сводится к следующему: попадая в какую-либо ситуацию, учитель и ученик самостоятельно и независимо друг от друга совершают определенные поступки. Результаты этих поступков сравниваются, и учитель наставляет ученика, если тот выбрал неправильную форму поведения. "Делай как я!" - как бы говорит он (а часто и говорит) своему подопечному. И в этом существо такого обучения. Схема его показана на рисунке 50.

Рис. 50

Здесь внешняя среда в виде ситуации воздействует на ученика и учителя. Учитель не может (или не хочет) объяснить ученику, как действовать в данной обстановке, чтобы получился наилучший эффект. Но сам он дает образец оптимального поведения. А затем поведение ученика сопоставляется с поведением учителя и корректируется отклонение.

Для этой схемы характерно то, что учитель умеет делать правильно, а знает он или нет, как делать, это не так важно. Обучение происходит путем показа наиболее целесообразного (оптимального) поведения, а не рассказа о том, как следует себя вести в данной ситуации.

Обучение показом - основная форма обучения трудовой деятельности. Подражание наилучшим образцам является необходимым этапом в процессе становления мастерства.

Так, зеркало в гимнастическом зале - это не потакание самолюбованию, а необходимый инструмент для оценки своего поведения во время выполнения упражнений. Болельщик посещает спортивные соревнования не только для того, чтобы пережить чувство азарта, но и увидеть образцы для подражания. Чтение художественной литературы - это не только увлекательное занятие, но и обучение методом показа на примерах произведения. Ведь известно, какое огромное влияние оказывает чтение на процесс становления человека; любимый литературный герой - это прежде всего образец для подражания.

В животном мире этот способ обучения широко распространен, особенно у птиц и млекопитающих. Любители канареек хорошо знают это. Чтобы молодого кенара научить петь, его следует отдать в ученье мастеру своего дела. Обоих сажают в одну клетку, и ученик начинает подражать маэстро. Если ученик способный, то вскоре из него выходит первоклассный певун. Но если учитель поет петухом, то и его старательный ученик начинает кукарекать.

"С кем поведешься - от того и наберешься" - вот девиз обучения методом показа.

Самообучение

Наиболее распространенный случай обучения - самообучение. Внешне он более прост и показан схематически на рисунке 51. При самообучении и обучение и проверка его результатов одновременно производятся внешней средой. Ученик окружен ею, сталкивается с нею и взаимодействует. Всякая среда имеет свою специфику и предъявляет особые требования ко всему, что в ней находится. Требования эти не должны нарушаться учеником. На рисунке видно, как факторы среды "воздействуют" на ученика, а по каналу А сообщаются требования, предъявляемые средой. Ученик, определяя свое поведение, выполняет или не выполняет требования среды, о чем и "сообщает" по каналу Б. Это означает, что на различные ситуации, возникающие в его жизни, он вырабатывает поведение, которое контролируется средой.

Рис. 51

Заметим, что здесь каналами А, Б и т. д. обозначены логические связи, объединяющие ученика и внешнюю среду к образующие единую систему обучения. В действительности таких четких каналов, как в школьной системе обучения, здесь, нет, однако связи имеются, и довольно прочные.

Продолжая обсуждение схемы, можно сказать, что среда как бы провоцирует ученика на некоторый шаблон поведения. Если он полностью удовлетворяет требованиям среды, то есть ведет себя соответственно шаблону поведения (проверка производится путем Сопоставления шаблона и поведения ученика и обозначена кружком с перекрестием), то канал наказания В не возбуждается. Если же ученик вступает со средой в противоречие (не удовлетворяет ее требований), то может возбудиться некоторый механизм наказания и по каналу В воздействовать на ученика за отступления от шаблона поведения, предъявляемого внешней средой.

Вероятность возбуждения механизма наказания и мера наказания зависят от степени нарушения учеником требований среды. Любопытно, что сам факт наказания, а значит, и обучения более или менее случаен. Например, при нарушении учеником правил уличного движения наказание не всегда настигает его. Чем чаще происходит это нарушение, тем вероятнее, что ученик либо будет сбит идущим транспортом, либо оштрафован, то есть наказан, но в разной и случайной мере. Однако если необдуманно спрыгнуть с десятого этажа, то наказание будет сурово и неотвратимо.

Получается, что, несмотря на то, что никто ученику не показывает образцов правильного поведения, он все-таки начинает поступать правильно. Этот "тяжкий путь познания" ученик проходит сам, без чьей-либо помощи, а только за счет щелчков, тычков и подзатыльников, которые ему в обилии предоставляет внешняя среда.

По схеме самообучения ученик, как видно, учится только на своих промахах и независимо от своего желания. Чем больше он допускает ошибок, тем лучше учится. Такой способ обучения "на своих ошибках" является, по-видимому, основным видом обучения в природе.

Заметим, что описанный способ самообучения вовсе не исключает обучения без наказания. Обучение на положительном опыте дает иногда лучший эффект по сравнению с обучением с наказанием.

На чем же основано обучение?

Из предыдущего видно, что главная роль при обучении принадлежит памяти. Но наличие одной памяти еще не обеспечивает возможности обучения.

Память под мышкой

Представим себе очень рассеянного человека, который все забывает, но умеет читать и понимать прочитанное. Для того чтобы этот человек мог жить и работать в окружающем его мире, ему составили подробнейшую инструкцию поведения на все случаи жизни (предположим на минутку, что это возможно) и научили ею пользоваться. Таким образом, наш рассеянный мужчина обладает памятью, которую носит под мышкой. Можно ли сказать, что такой человек способен нормально существовать? Ну конечно, нет! Жизнь будет требовать от него быстрого ответа на множество вопросов, а он сможет отвечать на них не иначе как перелистав всю инструкцию. Он не в состоянии будет ступить и шага, чтобы не остановиться и не заняться чтением инструкции хотя бы для того, чтобы вспомнить, как сделать следующий шаг.

Все это мы говорили для того, чтобы доказать, что одной памяти еще недостаточно для обучения и совершенствования своего поведения. Нужно уметь пользоваться своей памятью! А умение пользоваться памятью заключается вовсе не в перелистывании подряд всей инструкции (такой способ в технике называется сканированием), а в способности включать сразу необходимый раздел памяти. Так, переходя улицу, следует вспоминать правила уличного движения, а не меню вчерашнего обеда.

Как же устроена память человека, обеспечивающая не только размещение и хранение огромного количества информации, но и почти мгновенную выборку необходимых разделов записанной в памяти инструкции поведения?

Для ответа на этот вопрос нам нужно обратиться к условному рефлексу.

Что такое условный рефлекс!

Условным рефлексом мы называем привычку организма реагировать определенным образом на одну я ту же жизненную обстановку. Эта привычка вырабатывается в результате многократного пребывания организма в аналогичных ситуациях. Например, взрослый человек никогда не подойдет слишком близко к огню, несмотря на его заманчиво красивый вид. Маленькие же дети смело хватают его ручками потому, что еще не обладают защитным условным рефлексом, и лишь после нескольких ожогов у них вырабатывается способность остерегаться огня. Способность эту мы и называем условным рефлексом.

Научился ли ребенок при этом чему-нибудь? Очень многому! Он приобрел защитную способность - боязнь ожога - и научился уклоняться от огня.

Однако организм может вырабатывать условный рефлекс не только в естественных, так сказать, условиях; его создают и преднамеренно, искусственно.

Наверное, многие слышали об опытах великого физиолога И. П. Павлова по воспитанию у животных искусственных условных рефлексов. Схема опытов вкратце такова.

Собаке давалась пища. При этом у нее выделялась слюна. Заметим, что выделение слюны на пищу является безусловным рефлексом - врожденным качеством, переданным ей по наследству.

Как действует такой рефлекс, видно из рисунка 52. На систему "собака" воздействует вход "пища" (стрелка слева), тотчас же появляется слюнотечение, которое мы отметим на рисунке выходом "слюна" (стрелка справа). В начале опыта слюна выделялась только при виде пищи. Другие раздражители, допустим звуковые, слюнотечения не вызывали (рис. 53).

Рис. 52

Рис. 53

Потом И. П. Павлов накладывал на пищевой раздражитель еще и звуковой (при даче собаке пищи звонил звонок), то есть раздражители - "звонок" и "пища" - давались одновременно. Из рисунка 54 видно, что система "собака" имела уже два входа: "пища" и "звонок". Один из них, а именно "пища", безусловным образом вызывал появление выхода "слюна", другой же вход - "звонок" - сам по себе не вызывал никакой реакции системы, а лишь сопровождал "пищу".

Рис. 54

После нескольких сеансов собака начинала реагировать уже и на звонок без пищи так же, как на звонок с пищей или на одну пищу, то есть выделяла слюну. Так искусственно был создан условный рефлекс (рис. 55), которого собака ранее не имела.

Рис. 55

Что же произошло?

В нервной системе собаки установилась связь между сигналами "пища" и "звонок". Эта связь оказалась настолько эффективной, что один сигнал можно было подменять другим, причем организм на оба сигнала реагировал совершенно одинаково. Было бы ошибочным считать, что собака перестала различать сигналы и они слились для нее в один, вызывающий слюновыделение. Вовсе нет! Просто собака установила связь между этими разными сигналами. Связь эта для нее заключается в том, что сигнал "звонок" сопровождается сигналом "пища", на который выделяется слюна. "Будут кормить!" - вот что "поняла" собака.

Заметим, что в данном опыте сигнал "звонок" можно было бы заменить любым другим достаточно четким и не пугающим, таким, как свет, поглаживание и т. д. Условный рефлекс устанавливался бы и на эти раздражители, несмотря на их различное проявление и разницу в каналах, по которым собака их воспринимает: слух, зрение, осязание и др. Собака выделяла бы слюну и на эти раздражители, хотя они физиологически никак не связаны с питанием и пищеварением.

И в основе процессов обучения лежит образование условных рефлексов, которые связывают в организме различные нервные сигналы и обеспечивают одинаковую реакцию на эти сигналы.

Как же образуется условный рефлекс? Какой его механизм?

Чтобы ответить на этот вопрос, следует рассмотреть строение нервной системы.

Устройство нервной системы

Нервная система живого организма состоит из огромного количества специальных клеток - нейронов. Чем сложнее организм, тем больше в нем нейронов. Так, нервная система человека содержит примерно 10 миллиардов (единица с десятью нулями) нейронов. На рисунке 56 схематически показано устройство одного такого нейрона.

Рис. 56

Состоит он из основного тела, от которого отходит много коротких отростков, носящих название дендритов, и одного длинного нитевидного отростка - аксона, завершающегося древовидным пучком.

Нервное возбуждение распространяется от дендритов через тело клетки и аксон к древовидным отросткам аксона. Эти отростки обычно лежат вблизи дендритов других нейронов. Нервный импульс может возбудить нейрон, нейрон - передать возбуждение другим, другие - следующим и т. д. Связь между нейронами, как видно, осуществляется через промежуток между концами аксона одного нейрона и дендритами другого. Если они лежат в достаточной близости - промежуток между ними мал, - то в этом месте может образоваться синаптический узел, или синапс, связывающий эти два нейрона.

Синапс подобен сопротивлению в электрической цепи. Если это сопротивление велико, то связь между нейронами слабая и возбуждение одного нейрона может и не вызывать возбуждения другого (сигнал не распространяется). Если же сопротивление синапса мало, то имеется сильная связь и нейрон без труда возбуждается от аксона другого нейрона, с ним связанного.

Возбуждение нейрона происходит по принципу "все или ничего". Это значит, что нейрон может быть либо возбужден - и от клетки вдоль аксона к синаптическим узлам и далее к другим нейронам идет нервный импульс, либо не возбужден. Существует как бы порог чувствительности нейронов: если сопротивление синапса превышает некоторую величину, то возбуждение дальше не передается.

Но сопротивление синаптических узлов может меняться. Это изменение происходит в результате работы нервной системы в соответствии с правилом, сформулированным Хэббом. Оно гласит: "При одновременном независимом возбуждении двух нейронов, имеющих общий синаптический узел, сопротивление возбуждающего синапса уменьшается".

Иными словами, если два соседних нейрона несколько раз по разным причинам возбуждались одновременно, то сопротивление синапса, связывающего их, уменьшается и со временем может стать меньше критического. Теперь возбуждение одного нейрона может привести к возбуждению другого. Это происходит за счет того, что при одновременном возбуждении в синаптическом узле образуется стойкое вещество, которое понижает его синаптическое сопротивление. Это вещество со временем при отсутствии подкрепления может распасться, что приведет к "забыванию" факта одновременного возбуждения этих нейронов.

И выходит, что синаптическое сопротивление служит носителем памяти в организме, а элементарной ячейкой памяти является единичный синапс. Стало быть, направление движения нервных импульсов по системе определяется целиком и полностью сопротивлениями встречающихся синаптических узлов. И для различных синаптических сопротивлений одно и то же раздражение может приводить к различным реакциям организма.

Это показано схематически на рисунке 57. Здесь одно и то же раздражение прикладывается к одному и тому же организму, но после различных сеансов обучений. Например, звонок может вызывать у собаки либо слюнотечение, если при обучении давать его одновременно с пищей, либо ярость, если после звонка дразнить ее палкой. В обоих случаях звонок является раздражителем, однако реакция собаки после обучения будет диаметрально противоположной: благодушно-веселое настроение, вызванное звонком в первом случае, и приступ ярости - во втором.

Рис. 57

Механизм образования условного рефлекса

Теперь можно описать механизм образования условного рефлекса. Вспомним рассмотренную выше ситуацию "звонок - пища - слюна".

Нервные импульсы "звонок" и "пища", пройдя определенный путь по нервной системе, встречаются у нейрона, управляющего аппаратом выделения слюны. Так как сначала сопротивление синапса было велико, то событие "звонок" не вызывало первоначально слюновыделения (рис. 58).

Рис. 58

В результате многократного совмещения событий "пища" и "звонок" синаптическое сопротивление, по правилу Хэбба, уменьшалось, и нейрон стал возбуждаться сигналом "звонок". Как только это произошло, условный рефлекс установился.

Итак, для создания условного рефлекса необходимы, как видно, два обстоятельства. Первое: многократное повторение совмещенных событий, требующееся для уменьшения синаптического сопротивления. И второе: наличие в нервной системе организма общих точек пересечения, где сопоставляются нервные сигналы, представляющие оба события и участвующие в создании условного рефлекса.

Если первое условие зависит от обстановки обучения, то второе предъявляет определенные требования к структуре нервной системы обучаемого организма.

Отсюда следует существенный вывод: не всякий организм способен вырабатывать условные рефлексы заданного вида. Рефлекторная способность системы, то есть способность ее вырабатывать условные рефлексы, а вместе с ней и способность к обучению, определяется в основном числом синапсов и наличием синапсов определенного рода. Чем больше синаптических узлов, тем больше условных рефлексов способен выработать организм, тем, значит, лучше он приспособится к среде, больше "узнает", станет более "умным".

Как видно, дело не в числе извилин мозга, а в его структуре.

Теперь можно объяснить механизм "вспоминания", который заставляет организм независимо от воли и сознания вспоминать именно то, что необходимо вспоминать в данной жизненной ситуации.

Ясно, что вспоминание связано с усложненной формой условного рефлекса. Побывав несколько раз в определенной ситуации, организм вырабатывает некоторый рефлекс поведения, связывающий нервные сигналы, вызванные этой ситуацией, с необходимой реакцией поведения.

Воспитание рефлекса боязни и уклонения от огня является превосходной иллюстрацией, как ситуация "огонь" вызывает рефлекторно - независимо от воли и сознания - реакцию "боязнь" и "уклонение".

При таком "вспоминании" нет никакого сканирования памяти, то есть инструкцию (память) не нужно "листать", так как она сама открывается сразу на нужной "странице". Причем механизм, открывающий данную страницу, приводится в движение самой внешней обстановкой. И организму остается лишь реагировать так, как указывает эта страничка памяти.

Выше мы установили, что понижение синаптического сопротивления связано с обучением организма. Естественно задать вопрос: каковы синаптические сопротивления у новорожденного организма? Если все они очень велики, то он ничего "не умеет" и, как легко заметить, ничего не сумеет в будущем, так как для возникновения первых условных рефлексов необходимо хоть немного синапсов с малым сопротивлением. Оказывается, нервная система новорожденного содержит определенное число врожденных пониженных синаптических сопротивлений, которые ему достались по наследству от родителей. Эти синапсы и определяют то крайне упрощенное поведение ребенка: способность глотать, кричать и т. п., которое названо безусловными рефлексами. Эти рефлексы дают возможность ребенку существовать и со временем образовать новые синаптические узлы с пониженным сопротивлением, на которых строятся затем все более и более сложные формы условных рефлексов.

Гипотеза о случайной структуре мозга

Как было отмечено, приобретение условных рефлексов связано со структурой нервной сети и определяется числом связей между нейронами. Анатомическое исследование этих связей между десятью миллиардами нейронов нервной системы человека - задача чрезвычайно громоздкая по объему. И все же некоторые сведения о них уже получены. Оказывается, разные нейроны имеют различную длину. Некоторые нейроны соединяются только с близлежащими, а другие - с достаточно удаленными (до полуметра). Одни нейроны находятся в контакте лишь с несколькими, другие - с тысячами. В мозгу может быть обнаружена практически любая схема соединения, которую только можно себе вообразить.

При изучении строения мозга ученые обратили внимание на чрезвычайно любопытное обстоятельство: не удалось найти одинаковых соединений нейронов у различных индивидуумов. Более того, известно, что талантливость и гениальность, как, впрочем, и противоположные черты, не передаются по наследству. Таким образом, ближайшие родственные связи (родители - ребенок) не сохраняют структуры нервной системы.

Кроме того, вряд ли возможно, чтобы наследственная информация содержала полную инструкцию относительно каждого из миллиардов соединений нейронов. По-видимому, носители наследственных признаков задают лишь некоторые связи, определяющие развитие нервной системы вообще и мозга в частности, а конкретные соединения образуются в значительной мере случайным образом потом. И выходит, что конкретная схема соединения нейронов для каждой особи в основном случайна, а потому индивидуальна и уникальна. Исключение составляют синапсы, образующие безусловные рефлексы и передаваемые по наследству.

Заметим, что, по-видимому, существует также возможность наследственной передачи некоторых синаптических сопротивлений, полученных условным образом. Это дает возможность детям в какой-то, хоть и малой, мере пользоваться результатом жизненного опыта родителей. Указанное положение подтверждается следующим простым экспериментом.

Рассказывают, как у белых мышей вырабатывался условный рефлекс на звонок.

Звонок звонил перед кормлением в течение 5 секунд. Впервые условный рефлекс выработался только на 298-м сочетании звонка с едой. Для получения такого же рефлекса у второго поколения оказалось достаточно 114 сочетаний звонка с едой, для третьего - 29, для четвертого - 11, а для пятого их понадобились только 6.

Значит, если не сам условный рефлекс, то восприимчивость к нему, по-видимому, можно передать по наследству.

Случайность структуры нервной сети имеет глубокий смысл. Действительно, родители, передавая своему наследнику свойства, необходимые для его нормального существования, должны "позаботиться" и о непредвиденных обстоятельствах, которые могут встретиться в его жизни и которые не встретились у них. Поэтому в структуру молодого организма обязательно должен быть введен "случайный фактор". Он и даст организму возможность приспособиться к новым, неизвестным условиям жизни, о которых родители, и предполагать не могли.

Как видите, случайность структуры мозга и нервной системы практически неограниченно расширяет приспособительные возможности организма от поколения к поколению и обеспечивает возможность прогресса и развития.