колеблются, создавая ультразвуковые волны; в нейронах, как и в других клетках, существуют быстровращающиеся молекулы и надмолекулярные структуры. Используя различные формы представления информации, потенциально реализуемые в ЦНС, построим модель обработки информации в мозге. Процесс обработки информации в ЦНС трудно описать в терминах и понятиях современной информатики из-за неалгоритмичности организации обработки и неразрывности процессов хранения и преобразования информации, что характерно для ЦНС и нетипично для ЦВМ.
Запоминание «без» памяти
При запоминании информации последовательность ее движения можно представить следующим образом: орган чувств – предварительная (кратковременная) память – выбор нейрона из запоминающей среды для долговременного хранения информации – передача из кратковременной памяти к выбранному нейрону – собственно запись. Если необходимо вспомнить (воспроизвести) какую-либо информацию, после чего из нейронной сети выбирается нейрон, содержащий затребованные данные, а затем считывается информация из нейрона и необходимые данные передаются и принимаются в соответствующую часть ЦНС.
Считается, что в предлагаемой модели непосредственная запись информации происходит в результате химических реакций, приводящих к синтезу белковых молекул. На одну молекулу можно записать информацию, объем которой измеряется миллионами бит. Будем называть вращающуюся в нейроне молекулу с записанной информацией «белком-хранителем информации» (БХИ). В нейроне имеется также «белок – источник высокочастотных колебаний» (БИК), молекула которого колеблется под влиянием внутринейронного электромагнитного поля. Эти колебания «облучают» вращающийся БХИ, и при их отражении происходит модуляция колебаний, зависящая от топологии БХИ. Информация переходит в форму высокочастотных колебаний, которые выводятся за пределы нейрона и поступают в «магистраль передачи» информации. В результате реализуется переход от химической формы к ультразвуковой, от хранения к передаче информации. На рис. ПЗ схематично показано считывание информации из нейрона. Мы использовали следующие обозначения:
1. Сома нейрона.
2. Аксон.
3. Вибрирующий БИК.
4. Вращающийся БХИ.
5. Глиальные клетки.
6. Упорядоченные БТИ.
7. Ультразвуковые волны, излучаемые БИК.
8. Модулированные колебания, отраженные от БХИ и поступающие в тракт передачи информации.
Рис. ПЗ. Считывание информации из нейрона
Остается открытым вопрос о том, какая часть нейронов ЦНС реализует функцию хранения информации: в каких популяциях нейронов размещены молекулы – хранители информации. Будем использовать понятие «запоминающая среда», указывающее на совокупность нейронов (вне зависимости от их локализации в мозге), содержащих БХИ.
В процессе запоминания или распознавания образа участвуют одновременно многие нейроны, «работающие» параллельно друг с другом. Информация обычно не попадает сразу от одного источника-нейрона во все «работающие» нейроны, а проходит через сотни и тысячи нейронов по тракту до приемника информации. Рассмотрим временные характеристики передачи информационных сигналов внутри и между нейронами. Известны следующие временные параметры, характеризующие распространение электрического потенциала в ЦНС:
• скорость распространения импульса вдоль нейрона (аксона) – 30 м/с;
• время перехода потенциала через электрический синапс – 10-5 с;
• время перехода потенциала через химический синапс – 10-3 с.
Если принять размер нейрона (с учетом аксона) равным 10-4 м, то время распространения электрического потенциала (одного бинарного импульса) вдоль нейрона составит 5х10-5 с. При электрическом синапсе время задержки сигнала на одном нейроне (переход через один синапс и движение вдоль нейрона) составит 1,5х10-5 с. При химическом синапсе время задержки будет определяться практически только переходом через синапс [137] .
Процесс распознавания образа составляет около 10 -1 с. За это время один электрический сигнал может пройти максимум через 6 000— 7 000 нейронов. При узнавании существует двойное движение информации: от органов чувств к нейрону и из запоминающей среды к другим участкам мозга. Поэтому даже 7 000 нейронов не представляется чрезмерным количеством.
Следует отметить, что при передаче «пакета» бинарных сигналов между импульсами должны существовать временные промежутки, равные по продолжительности самому импульсу. При продолжительности импульса порядка 10-3 с очевидно, что длительная последовательность импульсов, необходимая для передачи многобитовой информации об объекте, не может быть передана за время 10-1 с через многие нейроны. Следовательно, электрический способ представления информации, так же как и химический, не может обеспечить передачу больших объемов информации. Однако ультразвуковой (механический) способ при передаче информации между нейронами вполне приемлем.
Для обеспечения передачи очередной порции информации между приемником и источником должна создаваться (а по окончании данного «сеанса связи» разрушаться) сугубо индивидуальная магистраль, связывающая два конкретных нейрона. Процесс создания очередной магистрали не может превышать время распознавания образа. В мозгу в любой момент могут существовать несколько независимых магистралей. Необходим механизм, позволяющий создавать тракт передачи информации и разрушать его сразу после того, как потребность в данном канале отпадет, т. е. должна реализовываться бинарная логика формирования магистрали. Такую логику реализует нейрон при электрической форме представления информации.
За счет организации «входной логики» последовательной активации нейронов образуется цепочка возбужденных нейронов, на поверхности которых появляется измененный электрический потенциал. Этот потенциал создает в окружающих данный нейрон глиальных клетках электромагнитное поле, которое приводит к тому, что отдельные молекулы белков выстраиваются определенным образом ориентированно по отношению к поверхности нейрона. Назовем молекулы, находящиеся в глии и способные к пространственной ориентации, «белки – трансляторы информации» (БТИ). Цепочка упорядоченных БТИ образует относительно жесткий тракт, по которому могут передаваться механические колебания. При окончании возбуждения нейрона БТИ возвращаются в неупорядоченное (хаотическое) состояние внутри глиальной клетки, и тракт передачи информации разрушается, ибо колебания затухают в вязкой цитоплазме глиальных клеток.
Тракт создается со скоростью распространения электрических импульсов между и вдоль нейронов. Информация передается со скоростью распространения ультразвука вдоль магистрали. Если одновременно существуют несколько магистралей так, что ни в одной паре из них нет общих активированных нейронов, то ультразвуковые колебания будут распространяться по этим магистралям без взаимодействия друг с другом.
Существуют ЦВМ, информационные связи внутри которых реализуются только через магистраль, представляющую собой набор проводников с соответствующими усилителями, разъемами и т. д. Можно выделить два типа линий связи внутри магистрали:
• линии передачи управляющих сигналов;
• линии передачи данных.
В любом цикле приемопередачи логика работы магистрали задается значениями набора управляющих сигналов, которые определяют: источник и приемник (приемники) информации, объем информации, передаваемой в данном цикле, приоритеты и т. д. По линиям передачи данных передается собственно информация. Управляющие сигналы обеспечивают возбуждение отдельных элементов ЦВМ. При этом реализуется обмен информацией.
В предлагаемой модели роль управляющих линий магистрали исполняют нейроны. Однако их логические функции много шире: они реализуют логику работы нейронной сети (в ЦВМ эти функции совместно выполняют арбитр и процессор). В понятие «логика работы» входит выбор последовательности нейронов, обеспечивающих связь между источником и приемником информации. Однако это не просто создание «линий связи» между двумя нейронами, а важнейший элемент неалгоритмической системы обработки информации. Можно указать особенности этой системы:
• накопление значительного объема информации;
• выработка и запоминание правил работы с информацией;
• размещение информации в определенном порядке;
• система выборки необходимой в данный момент информации;
• наличие квалифицирующих характеристик для всех автономных квантов информации.
Реализация всего комплекса обеспечивает переход от данных к знаниям. Коренное отличие организации нейронной сети от ЦВМ заключается в многозначности функций, выполняемых нейронами, и в качественно ином уровне решаемых ЦНС задач за счет значительно большего числа одновременно включенных в работу многофункциональных элементов (нейронов). На рис. П4 показана структура описываемой магистрали.
