Аркадий Воловник - Знакомьтесь, информационные технологии

В макромолекулах белков можно записать практически неограниченный объем информации [136] , что определяется разнообразием геометрических форм молекул, образующихся в результате синтеза. Информация, представленная в молекулярной форме, не требует энергии для хранения. Передача информации и процесс запоминания потенциально могут реализовываться химическим путем за счет межклеточного и внутриклеточного перемещения и взаимодействия молекул. Совокупность этих процессов имеет длительность, существенно превосходящую время запоминания и узнавания человеком какого-либо объекта. Поэтому, если хранение информации в виде сложных макромолекул представляется возможным, то передача и считывание информации внутри ЦНС только в молекулярной форме, по-видимому, маловероятны.

В природе известна механическая форма представления информации, использующая высокочастотные механические (ультразвуковые) колебания. Многие живые организмы (летучие мыши, китообразные и др.) излучают вовне ультразвуковые колебания, которые, отражаясь от препятствий, модулируются. Принятые отраженные сигналы используются для распознавания объекта. Скорость перемещения и затухания ультразвуковых волн существенно зависит от свойств среды – чем выше ее плотность, тем больше скорость распространения ультразвука и меньше затухание. Внутри нервной ткани может быть реализована механическая форма представления информации, ибо подавляющее большинство белковых молекул под действием электрического потенциала ведут себя как диполи: они 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

Запоминание — бессознательный процесс, позволяющий фиксировать в нейронной сети информацию в виде отдельных образов, которые, кстати, могут быть не связаны между собой. Информация поступает от органов чувств как отображение реальных объектов.

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.