Аркадий Воловник - Знакомьтесь, информационные технологии

Память, рассудок, разум, мышление, интеллект… За этими понятиями прочно закрепилась репутация философских категорий. То, что в основе существования упомянутых феноменов лежит деятельность центральной нервной системы (ЦНС), считается само собой разумеющимся. Однако интеллектуальные способности человека во многом зависят от способности мозга обрабатывать информацию. Сегодня появилась возможность использовать методы информатики для анализа интеллекта человека. При этом не следует упрощать многогранность самого понятия «интеллект» как применительно к отдельному человеку, так и к ноосфере в целом. Нельзя вернуться к старому механицизму на новом кибернетическом уровне. Рассмотрим некоторые аспекты интеллектуальной деятельности человека и взаимосвязь ее с процессами обработки информации в ЦНС человека.

Цифра и образ

Прежде всего, попытаемся определить объем информации, которую должно перерабатывать сознание в процессе запоминания и узнавания. Здесь уместно сравнить мозг с современными вычислительными машинами. Наиболее сложные алгоритмы, обрабатывающие значительный объем входной информации (порядка миллиона бит), требуются для решения задач распознавания образа. Современные цифровые вычислительные машины (ЦВМ), производящие миллион операций в секунду, распознают образ в течение секунд, т. е. намного дольше, чем мозг. При том, что в центральной нервной системе сигналы распространяются на несколько порядков медленнее, чем в ЭВМ [135] .

В мозгу при алгоритмической обработке информации распознавание образа за столь короткое время невозможно. Ясно, что у человека обработка информации реализуется не алгоритмически, т. е. принципиально иным, по сравнению с ЦВМ, способом, ибо при распознавании образа, вне зависимости от способа вычислений, требуется обработка одинакового объема информации.

Очевидно, есть механизм, позволяющий обрабатывать информацию, объем которой измеряется мегабитами при работе лишь с одним объектом. Если необходимо узнать данного человека, требуется сравнить информацию об его образе с зафиксированной в памяти информацией о многих людях, и объемы обрабатываемой информации при этом возрастут пропорционально числу хранимых в памяти образов.

В цифровых устройствах реализуется бинарная форма электрического сигнала: нуль задается одним значением электрического напряжения, а единица – другим. Один импульс отображает один бит информации. Для передачи и переработки сообщения используется последовательная череда импульсов или параллельно (по нескольким проводникам) передаются сразу несколько импульсов, как правило, 10—200. Форма импульса может изменяться в узком диапазоне, позволяющем идентифицировать сигнал. Вариации параметров импульса, не выходящие за допустимые диапазоны, информации не несут.

В аналоговой технике форма электрического сигнала (как правило, это изменение напряжения) имеет определяющее значение для содержания информации. Здесь отсутствует необходимость в значительном количестве импульсов (длительность которых в ЦВМ примерно 10-12 с, что на несколько порядков короче продолжительности сигнала, используемого в аналоговых вычислительных машинах – АВМ). Сложная форма одного сигнала позволяет передавать в нем многобитовую информацию. Для работы с электрическим аналоговым сигналом необходимы элементы, обеспечивающие:

• излучение электрического немодулированного сигнала;

• модуляцию сигнала (насыщение информацией);

• передачу модулированного сигнала без потерь и изменений формы сигнала;

• прием и установление соответствия сигнала исходному объекту.

Элементы, позволяющие выполнять данные функции при представлении информации в электрической аналоговой форме, в живых организмах пока не обнаружены, и возникают сомнения в том, что упомянутый способ представления информации используется в каких-либо биологических объектах.

Для работы с импульсными сигналами требуются существенно более простые элементы. Импульсная электрическая бинарная форма представления информации используется, в частности, в зрительной системе животных. Информация последовательно проходит по цепочке: исходный объект – рецепторы сетчатки глаза – зрительный нерв – ЦНС (структуры зрительного анализатора). Первый вид информации (оптическая, электрохимическая) преобразуется в сетчатке глаза, состоящей у человека из порядка 10 х рецепторных элементов (колбочек и палочек). Каждый из нейронных элементов сетчатки реагирует на одну «деталь» исходного объекта, который как бы расчленяется на отдельные части. Колбочки и палочки в сочетании с сопряженными с ними чувствительными нейронами реализуют бинарную логику: выдают или не выдают электрический импульс в зависимости от конкретных характеристик объекта.

Зрительный нерв, обеспечивающий связь сетчатки с ЦНС, можно представить как линию связи, по которой передается двоичное многоразрядное «слово». В данном случае имеет место параллельная передача информационного сообщения, представленного электрическими сигналами в импульсной бинарной форме. Реально при обработке визуальной информации существует параллельно-последовательная передача: как правило, глаз последовательно фиксирует несколько локальных фрагментов объекта, которые последовательно обрабатываются сетчаткой глаза и передаются по зрительному нерву. Полный образ представлен в виде набора из нескольких «слов», имеющих длину порядка 108 двоичных разрядов каждый.

Другой вид электрической бинарной формы представления информации обеспечивает связь между нейронами. Возбуждение и торможение нейрона происходит при появлении «единичных» электрических сигналов в дендритах данного нейрона. Это напоминает работу триггера с определенной «входной логикой», позволяющей изменять внутреннее состояние при различных наборах входных электрических сигналов.

Для нейрона «входными» сигналами являются электрические импульсы, пришедшие от других нейронов. Вариации «входной логики» работы нейрона реализуются за счет различной геометрии дендритов, которая существенно влияет на временные и электрические характеристики сигналов. Однако триггер хранит только один бит информации. В нейроне не обнаружен механизм, позволяющий хранить многобитовую информацию в виде набора бинарных импульсов. Можно считать, что импульсная бинарная электрическая форма представления информации используется в ЦНС человека для передачи отдельных многобитовых сообщений или для управления состоянием нейрона, но не для долговременного хранения информации.