Изот Литинецкий - Беседы о бионике

Каждая группа волокон зрительного нерва служит для передачи одного вида сообщений в соответствующий слой нервных окончаний в мозге. В мозге лягушки имеется четыре таких слоя, соответствующих четырем процессам трансформации изображения. Действия лягушки являются результатом переработки ее мозгом кодированной информации, поступающей от зрительного аппарата.

Техническая система, моделирующая работу зрительного анализатора лягушки, намного больше, чем его прототип, созданный природой. Это ящик объемом в 1,8 м 3, в котором находится более 30 000 реле, транзисторов, фотосопротивлений, неоновых ламп и других электронных компонент (рис. 2).

Рис. 2. Внешний вид электронной модели глаза лягушки

Главная часть прибора состоит из одинаковых вычислительных машин, которые расположены одна за другой и воспроизводят функции четырех слоев нервных окончаний в мозге, анализирующих сигналы изображения. Изображение проектируется на экран с 1296 фотоэлементами, выполняющими роль рецепторов сетчатки. Дальше информация передается от слоя к слою и сортируется при этом на нужную и ненужную. Нужная информация переносится от одного слоя к другому световыми лучами неоновых ламп и воспринимается фотосопротивлениями.

Устройство непрерывно анализирует обстановку над аэродромом с точки зрения ее безопасности и в случае создания угрожающего положения, при котором одному из самолетов необходимо дать команду уйти в сторону, решает, кому именно нужно дать такую команду. Летчики и аэродромные диспетчеры считают, что новая система существенно увеличивает безопасность полетов. М. Хершел и Т. Келли, авторы первого варианта функциональной электронной модели глаза лягушки, считают, что устройства такого типа можно с успехом использовать в радиолокационных системах противоракетной обороны (ПРО). В системах ПРО они могут применяться для мгновенного опознавания ракет, что обеспечит уменьшение времени, необходимого в наши дни для вычисления баллистических траекторий.

Интересно, что глаза голубя, которые, как известно, прекрасно воспринимают изображение, обладают той же способностью, что и глаза лягушки: они тоже осуществляют предварительную обработку получаемой информации. Благодаря этому мозг воспринимает уже преобразованное изображение того, что видит глаз. Знание механизмов переработки информации в зрительном анализаторе голубя может оказаться полезным для разработки радиолокационных устройств, в частности сложных устройств для разведки и съемки местности.

Особый интерес представляет способность зрительного анализатора голубя избирать объекты, движущиеся в одном направлении. Это свойство получило название "способности обнаруживать направленное движение". Использовав его, можно построить обзорную радиолокационную систему, обнаруживающую самолеты, летящие в заданном направлении, например в сторону авиабазы, и, следовательно, осуществляющую предварительную обработку информации, близкую по принципу действия к функции биологической системы. Выяснением этого принципа заняты сейчас сотрудники одной из американских фирм, создающие модель глаза голубя.

Рис. 3. Грубая анатомическая схема сетчатки глаза голубя (а) и функциональная схема модели его сетчатки (б)

Сетчатка его глаза по существу представляет собой трехслойное устройство (рис. 3, а). Внешний слой содержит колбочки, или фоторецепторы, которые преобразуют воспринимаемые глазом световые сигналы в электрохимические потенциалы и передают последние в промежуточный слой, состоящий из нейронов, или нервных клеток, называемых биполярными или просто биполярами. Биполяры "переводят" сигналы, поступающие из внешнего слоя, и передают их (как принято думать) в виде последовательностей импульсов в третий слой, состоящий из нервных окончаний, выходные импульсы которых направляются в мозг по волокнам зрительного нерва.

Чрезвычайно важным элементом зрительного аппарата голубя является нейрон. Для моделирования его требуется разработать значительно более сложное устройство, чем ранее созданный оптический решающий фильтр [20] Созданный ранее оптический решающий фильтр представлял собой линейное пороговое логическое устройство, которое осуществляло взвешенное суммирование входных сигналов и сравнивало полученную сумму с пороговым значением. Если найденная сумма превышала пороговое значение, то на выходе устройства появлялся сигнал, равный 1. Если же сумма оказывалась меньше порогового значения, то на выходе появлялась — 1. Операции, выполняемые этим устройством, — пространственное суммирование, взвешенное суммирование и сравнение с порогом — являются частью операций, выполняемых биологическим нейроном, но не исчерпывают его возможностей. . Новый аналоговый нейрон, смоделированный в лаборатории, ближе по своим характеристикам к биологическому. Для биологического нейрона характерно наличие рефрактерного периода [21] Рефрактерный период — интервал времени после раздражения, в течение которого система не реагирует на следующее раздражение. , по истечении которого нейрон снова приобретает нормальную чувствительность к раздражению. Кроме того, биологический нейрон должен обладать способностью генерировать, выходной сигнал в кодированной импульсной форме, свободной от дихотомии [22] Дихотомия — последовательное деление целого на две части, затем каждой части снова на две и т. д. , свойственной выходному сигналу ранее сконструированного устройства. Наконец, наиболее важное свойство биологического нейрона — его способность запоминать, каким образом он реагировал на последнее раздражение, что отличает его от обычного логического устройства, работающего по принципу "большинства". Именно эти свойства зрительного анализатора голубя характерны для недавно созданной модели аналогового нейрона и отличают ее от ранее предложенной. Последняя, напомним, была основана на модели нейрона, реализующей пространственное суммирование и пороговую операцию.

Описанная выше схема глаза голубя показана на рис. 3, 6. Для моделирования биполярных и ганглиозных клеток использовались видоизмененные модели Хармона. Колбочки моделируются набором фотодиодов, каждый из которых соединен с эмиттерным повторителем. На выходе повторителя включен биполярный элемент, управляемый перепадом постоянного тока. Разветвляющиеся беспорядочные соединения между колбочками, биполярными и ганглиозными клетками выполнены на коммутационных панелях приборной стойки, на которой размещена большая часть схемы сетчатки.