Изот Литинецкий - Беседы о бионике

В прошлом феноменальную надежность мозга некоторые ученые пытались объяснить его способностью регенерировать (восстанавливать) поврежденные или погибшие нервные клетки. Когда же было установлено, что нейроны не восстанавливаются, возникло другое предположение. Стали считать, что долговечность и надежность нашей сложнейшей "кибернетической машины" обеспечивается ценой многократного дублирования и резервирования [26] В современной электронной технике различают "холодное" и "горячее" резервирование. Холодное резервирование означает, что в системе имеются элементы, готовые заменить вышедшие из строя, но находящиеся в нерабочем состоянии. При горячем резервировании используется несколько одинаковых элементов, работающих параллельно. ее нервных клеток подобно тому, как это делается при конструировании современных электронных систем. Однако расчеты показали, что тогда мозг человека был бы в десятки тысяч раз больше, чем на самом деле.

Каковы же принципы, заложенные в схему регулирования жизненных процессов организма и обеспечивающие столь высокую надежность работы мозга?

Один из них — охранительное "запредельное" торможение. Реакция организма на сигнал раздражителя тем сильнее, чем сильнее сигнал. Но до определенного порога. Выше его реакция ослабевает, а затем прекращается совсем. Организм охраняет себя от чрезмерного возбуждения нервных клеток. Ученые поставили такой опыт. У собаки создали рефлекс на звонок. С увеличением силы звука увеличивалось слюновыделение. Но когда звук становился сильнее определенной величины, выделение слюны уменьшалось, а затем и совсем прекращалось. Это объясняется тем, что раздражитель стал непосильным для нервной системы животного, и тогда сработала система запредельного торможения, сделав возможным восстановление в дальнейшем нормальной работы нервных клеток. Так природа отражает нападение слишком грозного противника. Особенно чутко и быстро реагирует на опасное усиление раздражителя ослабленный, больной организм.

Поскольку многочисленными экспериментами было установлено, что торможение наступало каждый раз после того, как клетки были возбуждены, ученые пришли к заключению, что переход в заторможенное состояние нервных клеток следует рассматривать как активное вмешательство организма в деятельность своих элементов с целью перевода их в нерабочее состояние для восстановления пониженной работоспособности. Помимо такого "профилактического ремонта на ходу" клетки ежесуточно "ремонтируются" более основательно: сон позволяет хорошо отдохнуть всей центральной нервной системе. Поэтому наш мозг с самых ранних лет и до смертного часа действует одинаково ясно и энергично.

Другим важным фактором, обеспечивающим высокую надежность головного мозга, является способность нервных центров к быстрой функциональной перестройке и обучению. Провели такой опыт. Собаке под наркозом пришили сухожилия мышц-сгибателей к разгибателям, а сухожилия разгибателей — к сгибателям. После операции, когда собаке нужно было согнуть лапу, она ее... разгибала. Но это продолжалось недолго. Время — великий целитель, а способность нервных клеток к переучиванию огромна. Произошла перестройка нервных центров, и животное научилось правильно владеть своими конечностями.

Третье "конструктивное ухищрение", предпринятое природой в целях обеспечения высоконадежной работы головного мозга, заключается в целесообразном сочетании самоуправления с центральной регуляцией. Нож хирурга и эксперименты физиологов позволили установить, что система регулирования жизненных функций организма "многоэтажна". Высший этаж — кора больших полушарий, низший — система саморегуляции отдельных органов. Животное, лишенное коры головного мозга, утрачивает способность к выработке условных рефлексов. Но оно живет, двигается, способно поглощать пищу, которую ему положили в рот. Оно "управляется" деятельностью двигательных центров, расположенных в отделах мозга, лежащих под корой. Если перерезать нервы, идущие к мышцам, управление нарушится. Но сами мышцы еще могут сокращаться под действием электрического тока или химических раздражителей. Более того, у животных есть "автоматические механизмы", например сердце. Вынутое из организма, оно может еще очень долго работать — сокращаться (если пустить по его сосудам обогащенную кислородом кровь). Такое построение нервной системы (сочетание относительной самостоятельности низших регуляторов с их подчинением высшим мозговым центрам) служит одним из важнейших условий надежной работы мозга.

Но и это еще не все.

Вездесущая сеть нервов, помимо виртуозной передачи импульсов-приказов, умеет еще и другое, не доступное пока никаким электронным системам: она сама, без всякой помощи извне, налаживает связи с подчиненными органами. Любой нерв прокладывает себе путь среди множества клеток и волокон, уверенно пробивается к цели среди растущих, непрерывно перемещающихся тканей зародыша. Просто диву даешься, как удается ему опознать "своих", как умудряется какая-нибудь нейронная ветка, затерянная среди тысяч таких же волоконец, всегда отыскивать один и тот же нервный ствол и, вплетаясь в него, доставлять сигнал в заданный участок мозга.

Один дотошный экспериментатор решил проверить, сохранится ли это удивительное чутье, самоопознавание растущих нейронов, если изменить обстановку, пересадить, скажем, кожу с живота головастика на спину. Найдет ли кожный нерв дорогу к своим, определит ли среди множества стволов тот единственный, что соединяет его с мозгом?

К тому времени, когда головастик стал лягушкой, пересаженная кожа окончательно прижилась на спине. Даже опытный микроскопист, наверное, с трудом определил бы здесь кусочек, срезанный с живота. Зато лягушечьи нервы быстро разобрались в подмене и, не признав ее законной, соединились, как обычно. Стоило пощекотать лягушке спину, она тут же принималась чесать задней лапкой живот. Видно, чувствительный нейрон не дал себя обмануть. Попав вместе с кожей на спину, он все-таки отыскал "своих", вплелся в нерв, несущий ощущения с живота. И хотя кусочек кожи оказался на новом месте, вдали от постоянной "прописки", его сигналы шли в мозг обычным путем.

В этом быстром, безошибочном объединении сходных нейронов, в точном скреплении их в заданных местах заключен один из важнейших секретов высокой надежности монтажа элементов сложнейшей из всех систем организма — центральной нервной системы.

Итак, одна из главнейших задач бионики — изучение и перенесение в технику важнейших принципов, используемых природой для обеспечения высокой надежности функционирования живых организмов. "Пожалуй, самое главное, что должна перенять радиоэлектроника у живой природы, — пишет член-корреспондент АН СССР В. И. Сифоров, — это высокая надежность. Ведь если вы поцарапали палец, то организм сам производит необходимый "ремонт". Кровь свертывается, кровотечение немедленно останавливается, и через некоторое время царапина заживает. Сейчас мысль ученых и инженеров направлена на то, чтобы создать нечто подобное и в технических устройствах. Пока "самозалечивание" электронных машин в основном сводится к автоматическому включению резервных блоков, однако в будущем, по-видимому, появятся системы, которые будут находить неисправную деталь и заменять ее новой".