Содержание
Введение
При разработке теории сознания использовался принцип наибольшей простоты, который гласит: «Чем проще гипотеза, тем выше вероятность, что она верна».
Очевидно, что сознание — это способ обработки поступающей к организму информации с целью формирования поведения, обеспечивающего его выживание и размножение.
Однако также очевидно, что живой организм не может напрямую обрабатывать информацию — он не является вычислительной машиной. Именно поэтому теория сознания должна в первую очередь устранить это противоречие.
Как это сделать?
Вся поступающая в организм информация недостаточно определена — она размыта, представляет собой бесконечный континуум вариантов, сосредоточенных в определённом диапазоне значений. Эта нечёткая информация поступает и распространяется с помощью сигналов, формируемых нейронами, через ощущения. Ощущения — особый механизм работы с нечёткой информацией при помощи аналоговых устройств.
Благодаря обучению организм реагирует на упорядоченную повторяющуюся совокупность ощущений, которую называют образом. Обучение заключается в том, что образ закрепляется в структуре нейронной сети, которая способна среагировать на поступивший сигнал, соответствующий сохранённому образу, и выдать взамен управляющие сигналы — свой собственный образ. Следовательно, вся обработка информации в организме происходит в форме работы с образами. Образ — это также размытый набор информации. Каждый раз, когда в организме появляется образ, похожий на записанный в структуре, он вызывается и включается в работу — это называется восприятием образа.
Этап восприятия может завершаться либо выполнением организмом действий, определённых сигналами-образами, либо возвратом этих сигналов назад в систему. Взаимодействие сигналов и ощущений может снова сформировать другой образ, и процесс работы с образами повторяется — зацикливается. Каждый цикл приводит к новым образам, и некоторые из них вызывают у организма полезные действия. Поскольку образ — это размытый набор информации, цепочка восприятия и реакции не прерывается: всегда происходит следующий этап — восприятие новых сигналов, даже если они слабо похожи на уже записанные в структуре образы. Однако, если одна и та же совокупность сигналов повторяется несколько раз, система запоминает эту совокупность как новый образ.
Непрерывный циклический процесс ощущения –> образ –> восприятие и образуют сознание. В какие-то моменты сознания организм совершает действие – тогда восприятие реализуется в действии.
Таким образом, сознание есть особый механизм работы с нечёткой информацией, основанный на ощущениях этой информации.
Биологическое сознание
При изучении сознания в первую очередь возникает вопрос, почему у животных возникло сознание? Ответ на него следует из того, что в процессе длительной эволюции живых существ (представителей фауны) постепенно в них формировались структуры и механизмы, которые позволяли организму вырабатывать свои относительно рациональные реакции и поведение в ответ на потребности организма и воздействия на него различных факторов со стороны внешней среды. Эти реакции и поведение организма дали ему возможность быстро адаптироваться к изменениям внешней среды.
Первым шагом в этом направлении эволюции живых организмов было появление у них сенсорных клеток, химическое состояние которых изменяется под воздействием факторов внешней среды, а также клеток, тоже химическим путём передающих дальше информацию о возникающем изменении состояния сенсорных клеток. В итоге эта информация поступает на клетки, изменяющие свою геометрию и относительное расположение так, чтобы приспособить организм к изменению внешнего фактора среды.
Этот механизм существует, например у растений, которые реагируют на свет и начинают изменять положение своих листьев и цветка, чтобы максимально получать световой поток.
Однако природа на этом не остановилась и у организмов появились простейшие органы для перемещения под действием химических сигналов от сенсорных клеток. В результате дальнейшей эволюции этих механизмов сенсорные клетки эволюционировали в рецепторные клетки, а связанные с ними клетки, передающие от рецепторов информацию о среде, в нейроны. По этим нейронам информация стала поступать на исполнительные органы. Эволюционировали также и исполнительные органы перемещения.
Благодаря появлению цепочки рецептор-нейрон-исполнительный орган на начальной стадии видоизменения (эволюции) животных сформировались рациональные реакции в ответ на полезные или вредные воздействия среды на организм, которые могли вызвать его улучшение состояния или, напротив, гибель. Эти воздействия с помощью рецепторов и нейронов стали вызывать определённые ощущения организма. Из полезных можно отметить – ощущение пищи, а из вредных - ощущение опасности или боли. Эти ощущения вызывали соответствующие реакции организма. Постепенно ощущения стали распространяться на самые разнообразные факторы воздействия на организм внешней среды (звуковые, световые, химические, температурные, тактильные), которые могли быть как полезны, так и вредны организму. Вначале эти ощущения воспринимались организмом в простой форме и потому приводили лишь к простой реакции живого организма. Постепенно форма восприятия усложнялась и соответственно усложнялись реакции, которые в итоге превратились в поведение живого организма во внешней среде. Эта эволюция ощущения и характера действия организма во внешней среде происходила за счёт того, что в них самих возникла и эволюционировала специальная система, которая объединяла в себе структуры и механизмы восприятия ощущений из внешней среды и управления – вначале в виде простых реакций, а затем, по мере их усложнения, и в виде определённого поведения живого организма. Наиболее важная часть возникших структур – нервная система. Другая часть – гормональная. Она, под управлением нервной системы, вырабатывает специальные химические соединения, которые оказывают влияние на работу различных органов. Эволюция же самой нервной системы привела к тому, что в ней сформировался специальный орган – древний мозг, для восприятия сложных ощущений (через органы чувств) и, на основе их, для управления сложными реакциями организма. Позднее появилась в мозгу лимбическая система, которая расширила функции нервной системы, стала их координировать, а также на основе гормональной системы организма сформировала новый способ восприятия ощущений – эмоции. И наконец, для ещё более сложного управления поведением живого существа, сформировалась надстройка над более ранними структурами мозга – кора головного мозга. Кора, во взаимодействии с более древними структурами мозга, на основе эмоций выработали ещё более сложный вид восприятия ощущений – чувства, и все вместе они стали решать следующие задачи:
– после получения с помощью специальных органов информации из внешней среды, обработать её к виду удобному для использования;
– сравнить обработанную информацию с хранящейся в памяти;
– на основании вышеуказанного сравнения, дополнительно используя механизм эмоций и чувств,выдать сигнал насколько сложившаяся ситуация полезна или вредна организму;
– с использованием памяти, эмоций и чувств спрогнозировать влияние среды на организм и выработать поведение организма в сложившейся ситуации во внешней среде;
– сформировать сигналы на исполнительные органы для осуществления выработанного поведения во внешней среде;
– проанализировать, насколько осуществлённое поведение оказалось полезно или вредно для организма;
– если информация от внешней среды для организма окажется полезной или вредной, то запомнить её;
– если поведение организма во внешней среде в ответ на информацию было правильным или нет в этой ситуации, то запомнить его;
– как итог, построение модели поведения организма во внешней среде, обеспечивающей его жизнедеятельность (то есть создание в мозгу некой модели внешней среды и организма в ней).
Следствием способности мозга решать поставленные выше задачи и формирования способа поведения организма через эмоции и чувства, появилось новое его структурное свойство, которое мы называем биологическое сознание.
Таким образом, в основе биологического сознания лежит способность структуры мозга анализировать поступающую из внешней среды информацию и, затем, на основе результатов анализа, с помощью механизма эмоций и чувств, совершать определённые целесообразные для этого организма действия.
Чтобы лучше понять сущность биологического сознания, приведём следующий пример. Голодная собака встретила человека, и он накормил её. Собака, через свои органы ощущения (глаза, нюх), восприняла этого человека, и внутри мозга собаки от ощущений сформировался образ этого человека. Так как собака получила от него пищу, то в ней возникла положительная эмоция (радость). Так как два события (встреча с человеком и получение от него пищи) произошли одновременно, причём получение пищи вызвало эмоцию, то благодаря эмоции в памяти собаки сохранился образ этого человека, а также возникла связь между образом этого человека и положительной эмоцией. Возможно, сохранилась в мозгу и причина возникновения эмоции (получение пищи). В дальнейшем, когда собака встречает этого человека, и его образ совпадает с образом, сохранившимся в мозгу, то это совпадение вызывает в собаке положительную эмоцию, связанную с образом этого человека. Теперь эмоция формирует поведение собаки около этого человека. Собака проявляет положительные чувства к нему. Эти положительные чувства базируются на определённых рефлексах, как заложенных в генетическом материале живого существа (безусловный рефлекс), так и выработанных в процессе жизни собаки. Собака на основании положительных чувств ластится к человеку, виляет хвостом, не хочет отходить от него. Кроме того, образ человека в памяти собаки возможно связан с получением пищи, и потому она дополнительно будет ожидать от него пищу.
Дополнительным следствием развития системы эмоций и чувств и выработки поведения организма на их основе, стало появление у организма нового чувства – ощущения и восприятия самого себя. Ощущение и восприятие самого себя и позволяет человеку обнаруживать у себя сознание. Специального органа для обнаружения сознания ни у человека, ни у других организмов нет. Биологическое сознание, то есть сознание живых организмов – это последовательная смена желаний организма, формируемых интегральным восприятием всех ощущений организма, анализом мозгом этих ощущений, и выработка поведения организма для удовлетворения этих желаний. Или коротко, выделив только два наиболее главных момента, биологическое сознание – это интегральное восприятие всех ощущений организма и анализа мозгом этих ощущений. Поэтому никаким физическим инструментом нельзя зафиксировать наличие сознания. В этом состоит трудность в изучении сознания и невозможности в физических терминах дать определение сознания.
Далее, говоря о сознании, мы будем иметь в виду биологическое сознание, то есть сознание живых организмов.
Онтогенез нервной деятельности организма
Основные этапы развития мозга организма завершаются еще до его появления на свет. Структура нервной ткани организма активно формируется в эмбриональный период. И к моменту рождения или вылупливания организма, практически полностью заканчивается появление новых нейронов. Однако имеющиеся в мозге появившегося на свет организма нейроны в огромном большинстве являются не функциональными. У подавляющего большинства нет аксонов. А между большинством нейронов нет функционирующих синаптических связей. Только те нейроны, которые формируют безусловные рефлексы и инстинкты новорождённого, хорошо сформировались и могут полноценно функционировать.
Кроме нейронов нервную ткань образуют также глиальные клетки или глии, заполняющие пространство между нейронами. Мозг организма после его рождения увеличивается в основном за счёт появления новых глиальных клеток. Их количество в мозге взрослого организма в несколько раз больше нейронов. Назначение глии – обеспечить полнофункциональную деятельность нейронов. Глии выполняют опорную, разграничительную, трофическую, защитную и секреторную функции.
С момента появления нового организма на свет его нервная система уже наследственно настроена (или быстро настраивается) к определённым реакциям и действиям по отношению к ситуации организма во внешнем мире. Это существенно повышает выживаемость молодого организма, а также генетически задаёт определённые программы развития и действия нервной системы организма по мере его роста.
Все генетически определённые реакции и действия условно делятся на несколько видов. Вот наиболее употребляемые понятия для таких реакций и действий с помощью нервной системы: безусловные (врождённые) рефлексы, инстинкты, эмоции.
Безусловный (врождённый) рефлекс – наследственно закрепленная стереотипная форма реагирования с помощью генетически определённых нервных путей на биологически значимые воздействия со стороны внешнего мира или изменения внутренней среды организма. Безусловный рефлекс – наиболее быстрый способ реагирования организма на определённые факторы.
Инстинкт — совокупность сложных наследственно обусловленных актов поведения живого организма, возникающая в ответ на внешние и внутренние раздражители и направленная на удовлетворение основных биологических потребностей, характерных для особей данного вида при определённых условиях. К основным видам инстинктов относятся: пищевой, размножения, родительский, самосохранения, ориентирования и общения с себе подобными. Некоторые инстинкты включаются в процесс управления организма сразу с его рождения – сосательный (пищевой) инстинкт. Другие включаются по мере развития организма, например, половой.
К определению понятий эмоций и чувств мы будем подходить с научно-биологических позиций, отбрасывая все психологические аспекты. Однако, хотя сами слова эмоции и чувства и пришли из психологии, мы будем продолжать ими пользоваться, так как в биологической науке не найдена замена этих слов.
Эмоции – наследственно закреплённые механизмы реагирования организма на биологически значимые ситуации во внешней среде, сопровождающиеся выделением гормонов, и при участии высших центров нервной системы. Виды эмоций определяются вызывающими их гормонами или их комбинациями. Эмоции играют главную роль в общении особей между собой как одного, так и разного вида. В течение всей жизни организма эмоции регулируют важные процессы в мозгу, например: процесс запоминания, выработку поведения. Характер проявления эмоций по мере развития организма может существенно меняться.
Одновременно с развитием организма усложняется и его нервная деятельность. Её изменения происходят в соответствии с условиями окружающей среды и генетически заданной программой. Вырабатывается масса новых простых реакций – условные рефлексы. У живых организмов на основе эмоций появляются чувства. Чувства – выработанные на основе эмоциональных процессов в организме определённые устойчивые реакции в его высших центрах нервной системе, по отношению к объекту, вызвавшему ранее эмоции. Сложные реакции нервной системы возникают в специализированных отделах мозга, и затем могут интегрироваться всей структурой мозга. Наиболее важной для организма сложной реакцией является – поведение организма.
Включение некоторых программ, заложенных в мозгу, по управлению поведением организма происходит по мере развития эндокринной системы организма. В разных частях мозга создаются структуры из нейронов, которые активно работают только под действием определённых гормонов. Когда организм выделяет необходимые гормоны, эти участки мозга начинают принимать участие в управлении поведением организма. Например, половое поведение начинается тогда, когда полностью сформированы половые органы организма, и они начинают выделять определённые гормоны.
Уровни деятельности нервной системы
Изучая деятельность нервной системы удобно выделять в ней несколько уровней. Составим список реперных уровней деятельности нервной системы, упорядоченных по хронологии их эволюционного появления.
1. Условные рефлексы. Возникают после появления ганглий – компактных скоплений нейронов. Ганглии дают возможность переключаться нервным сигналам с одного пути на другой и путём неоднократного повторения вырабатывать необходимые реакции на определённые воздействия. Примеры организмов, у которых существуют условные рефлексы благодаря наличию ганглий: черви, пчёлы.
2. Предсознание. Возникает после появления рептильного мозга. Даёт организму способность ориентироваться и действовать во внешней среде, распознавать пищу и врага или опасность во внешней среде.
3. Сознание. Возникает после появления лимбической системы. Проявляется как способность структур мозга анализировать поступающую из внешней среды информацию как единое целое и, затем, на основе результатов анализа, с помощью механизма эмоций и чувств, выбирать и затем совершать определённые целесообразные для этого организма действия.
4. Самосознание. Возникает после появления коры головного мозга. Проявляется как способность предсказывать воздействие внешней среды на организм. Оценивать своё место во внешней среде. Способность позиционировать себя во внешней среде.
5. Разум. Это способность мозга обрабатывать информацию с помощью большого количества простых символов, ассоциированных со сложными образами, и действовать на основании информации, представляемой посредством этих символов. Возникает после появления необходимости и возможности социума организмов одного вида обмениваться аналогами этих символов (например, звуковыми сигналами или письменными знаками) и организовывать сложную жизнь социума на основе обмениваемой информации.
В природе нет ярко выраженных границ между уровнями – происходит плавный переход от одного уровня к другому, как внутри каждого организма, так и между видами организмов. Следовательно, в нашей терминологии, нельзя дать чёткой границы, когда появилось сознание.
Третий, четвертый и пятый уровни являются сторонами биологического сознания. Мы в дальнейшем рассмотрении сосредоточимся в основном на 4-ом уровне, с целью понять, как можно сделать искусственное сознание.
Компоненты и свойства сознания
Для дальнейшего понимания механизма сознания выделим несколько важных его компонент и свойств. Это:
1. Стимулы.
2. Реакция.
3. Ощущения.
4. Образы.
5. Восприятие.
6. Внимание.
7. Память.
8. Воля.
Стимулы и реакции выполняют роль переключателей в различных действиях организма с участием ЦНС.
Масса ощущений-восприятий создают среду, в которой возникает сознание. В этой среде формируются ключевые свойства сознания: внимание, память, воля.
Но чтобы понять механизмы работы сознания, вначале рассмотрим кратко работу нейронов.
Нейроны
Изучение механизма сознания, его компонент и свойств начнём с нейронов.
В состоянии покоя нейрон напоминает заряженный конденсатор: его мембрана поляризована, наружная поверхность обладает положительным потенциалом по отношению к внутренней, а внутренняя поверхность — отрицательным. Разница между потенциалами поверхности мембраны — снаружи и внутри тела клетки, составляет мембранный потенциал. Наружная поверхность мембраны нейрона является для него частью окружающей среды. Следовательно, заряд осуществляется за счёт создания избытка отрицательных ионов внутри нейрона (скапливающихся вблизи внутренней поверхности мембраны). Этот избыточный заряд создаёт внутри клетки сильное электростатическое давление. Чтобы избыточный заряд нейрона импульсно выделился из него, необходимо, чтобы произошла деполяризация (уменьшение поляризации) мембраны до некоторого порогового уровня или превысила его. В момент достижения порогового уровня происходит снижение внутри клетки электростатического давления до значения, когда сила отталкивания клапана канала между телом нейрона и его отростком (аксоном) превысила силу давления на него. В этот момент клапан открывается для прохождения ионов (происходит закорочение в теле аксона), и осуществляется выброс избыточных отрицательных ионов в этот отросток. До закорочения аксон с помощью холмика с клапаном изолирован от тела нейрона и потому в аксоне нет отрицательного дисбаланса зарядов. Резкий выброс ионов приводит к импульсу электрического потенциала (спайка) в аксоне.
Деполяризация нейрона происходит за счёт поступления в него положительных ионов или, напротив, выхода отрицательных ионов через открывающиеся ионные каналы в мембране на дендритах нейрона под влиянием нейромедиаторов. Выделение же нейромедиаторов происходит при приходе спайков от других нейронов в особые окрестности дендритов — синаптические щели (синапсы).
Функциональным назначением нейрона является выдача спайков в ответ на поступившие ему сигналы от рецепторов или других нейронов. Под сигналом будем понимать факторы воздействия рецепторов, а также одиночный спайк или совокупность спайков, выданных нейроном или группой нейронов. В результате прихода этих сигналов нейрон может возбуждаться или тормозиться. Возбуждением (торможением) нейрона вследствие поступления сигналов к нему называется такое изменение химико-энергетического состояния тела нейрона, в результате которого увеличивается (уменьшается) вероятность выдачи им спайков. А именно, возбуждение обуславливается увеличением потенциала внутренней поверхности мембраны нейрона, то есть её деполяризацией — уменьшением отрицательного заряда. Возбуждение и торможение мы будем называть одним словом «энергосдвиг».
В течение краткого промежутка времени после выдачи спайков (1-3 мсек) нейрон находится в состоянии невосприимчивости к поступающим к нему сигналам (в состоянии рефрактерности). Следовательно, в течение этого периода нейрон также не способен сам выдавать спайки. При отсутствии сигналов к нейрону его химико-энергетическое состояние релаксирует в основное состояние (происходит накопление отрицательных ионов до определённого уровня), которое обеспечивает приём поступающих сигналов. Однако, иногда нейроны могут спорадически выходить из основного состояния и выдавать одиночные спайки.
Для каждого нейрона возможно бесконечное количество различных состояний энергосдвига, так как он имеет характер непрерывного континуума в некотором диапазоне значений. При этом поступающие к нейрону сигналы в разные моменты времени по-разному влияют на его энергосдвиг. Это зависит от химико-энергетического состояния самого нейрона в момент поступления сигнала, от параметров самого сигнала, от параметров окружающей нейрон среды, в том числе, от динамики поступления к нему и удаления от него нейромедиаторов в процессе получения сигналов от других нейронов. Следовательно реакция нейрона на приходящие сигналы является неопределённой. То есть, существует бесконечное число вариантов выдачи нейроном спайков в ответ на приходящие к нему сигналы.
Всё это можно описать в терминах суперпозиции различных состояний нейрона. То есть, в любой момент времени можно считать, что нейрон находится в некотором континууме состояний бесконечно близких друг к другу. Причём каждое состояние характеризуется своей вероятностью реализации данного состояния в дальнейших процессах в нейроне. При поступлении сигнала к нему его состояние изменяется – нейрон переходит из начального состояния в конечное. Но это изменение состояния происходит как выбор из суперпозиций некоторых вариантов начального и некоторых вариантов конечного состояний. Какой же выбор произойдёт принципиально невозможно просчитать или каким-либо иным способом заранее определить. Это можно выразить как неопределённость работы нейрона, а также нечёткость выдаваемого им в дальнейшем сигнала.
Каждый сигнал можно описать определённым набором параметров: количеством спайков, их формой и интервалами времени между ними, топологией их воздействия на другие нейроны и др. Эти параметры можно рассматривать как информацию, которую переносят сигналы. Так как параметры сигнала нечёткие, то, следовательно, и содержащаяся в них информация нечёткая, то есть является непрерывным континуумом различных бесконечно близких вариантов информации в некотором узком диапазоне этого континуума информации. В дальнейшем любую переданную нечёткую информацию мы будем называть сигналом.
Таким образом, нейрон может выдать сигнал в виде спайков. Выдавая спайки, нейрон может возбудить вокруг себя соседние с ним нейроны, с которыми у него существуют синаптические связи. Те, в свою очередь, могут возбудить свои соседние нейроны. В системе с большим количеством нейронов с многочисленными синаптическими связями вследствие этого могут распространяться разнообразные волны возбуждения сети нейронов. Эти волны переносят поток также нечёткой информации, то есть континуум различных бесконечно близких вариантов информации.
Нейронные сети, нервная система
Для передачи и обработки сигналов из нейронов формируются сети. Они представляют из себя структуры из огромного количества отдельных нейронов или их цепочек, связанных между собой синаптическими связями. Эти сети могут выполнять разнообразные функции по управлению организмом. При этом все функции по управлению и регулированию организма можно поделить на две крупные группы: по управлению и регулированию внутреннего состояния организма, по управлению поведением организма во внешней среде. Каждую из этих групп, в свою очередь можно поделить на более мелкие функционально более специализированные группы. Объединения нейронов, выполняющие строго специализированные функции, назовём нейронной сетью.
Формирование этих сетей началось ещё у простых организмов. Уже у насекомых появились ганглии — простейшие сети, которые представляют из себя места скопления нейронных путей, в которых происходит простейшее управление движением сигналов. По мере эволюции поведение организмов становилось всё более сложным. Соответственно, в организме стало больше различных сетей. Эти сети стали формироваться компактно и создавать свой специализированный орган — мозг или центральную нервную систему (ЦНС).
Следовательно, для изучения работы мозга необходимо выделять эти сети, изучать механизмы их работы и взаимодействия между собой. В результате этих исследований будет выявлен механизм биологического сознания.
Стимулы, реакция, рефлекторное кольцо
Под стимулом мы будем понимать любые события как внутри организма, так и внешние, которые могут воздействовать (повлиять) на животный организм (далее – просто «организм»), любая информация, которая может использоваться организмом, любые потребности организма как определяемые наследственными механизмами, так и выработанные самим организмом в процессе его жизни, а также любые факторы, оказывающие влияние на психическую деятельность организма.
Ответом организма на стимулы является возбуждение групп нейронов, которые называют афферентными, или аффекторными, или сенсорными. Эти нейроны выдают соответствующие сигналы далее по цепочке нейронов. Заканчивается эта цепочка эфферентными нейронами, которые формируют сигналы для реакции организма на соответствующие стимулы.
Реакцией мы будем называть осуществление действий организмом, в том числе психических, или изменение состояния организма или его элементов или частей, в том числе и самой активности нервной системы, с помощью вырабатываемых нервной системой сигналов в ответ на стимулы.
Рефлекторная дуга — цепочка рецептор-нейрон-исполнительный орган, по которой проходит нервный сигнал при осуществлении рефлекса.
В момент рождения (вылупливания) организма у него имеется небольшое количество генетически заданных стимулов, которые инициируют деятельность рефлекторных дуг, ответственных за безусловные рефлексы организма. Например, это может быть рефлекс сосания. По мере роста организма и развития его нервной системы появляются новые стимулы. Они возникают в процессе обучения нервной системы организма. Например, со временем формируется обширная группа стимулов, которая запускает нейронные цепочки обработки зрительных ощущений от зрительных рецепторов. Эта цепочка обработки зрительной информации будет вырабатывать условные рефлексы на зрительные образы.
Таким образом, в результате обучения нервной системы организма формируются новые стимулы с самыми разнообразными функциями с одновременным формированием цепочек нейронов, обрабатывающих сигналы на эти стимулы и задающих реакции на них. На первом этапе развития нервной системы вновь возникающие стимулы возбуждаются от различных вовлекаемых в работу рецепторов. В процессе развития нервной системы и появления новых стимулов в работу включается всё больше рецепторов организма. Эти стимулы, связанные с рецепторами, мы будем называть реальными.
Одновременно с этим начинают появляться стимулы, которые связаны не с рецепторами, а обусловлены необходимостью реакции на различные сигналы из нервной системы. Эти стимулы мы будем называть идеальными, то есть возбуждаемыми от сигналов, возникающих в результате действий самой нервной системы. Наиболее ранними из таких являются стимулы, возникающие от работы исполнительных элементов под действием реакций от рефлекторной дуги. То есть формируется обратная дуга, которая воспринимает сигнал реакции рефлекторной дуги. Этот сигнал является воздействием на идеальный стимул обратной дуги, которая затем вырабатывает сигнал для идеальной реакции. Последняя производит корректировку работы реальных стимулов в начале рефлекторной дуги. В совокупности рефлекторная и обратная дуги образуют рефлекторное кольцо. Эта топология позволяет оптимизировать (улучшать) результат реакции организма на первоначальный стимул.
По мере развития нервной системы рост числа реальных стимулов сильно замедляется или почти прекращается из-за ограниченного количества рецепторов, а количество идеальных стимулов будет постоянно расти. Чем больше у организма будет идеальных стимулов, тем лучше будет приспособляемость организма к окружающей среде.
В ходе эволюции у организмов увеличивалось число рецепторов и связанных с ними рефлекторных дуг. В простейших организмах они располагались в различных частях тела и были слабо связаны между собой. Однако с развитием сложных систем рецепторов — обонятельных, слуховых, зрительных и др. — начали формироваться сложные структуры из рефлекторных колец, входящих в различные отделы единой, компактно организованной центральной нервной системы.
Ощущения
Одной из обязательных компонент сознания являются ощущения.
Понятие ощущения было сформулировано в психологии. Однако, мы должны его определить так, чтобы оно было связано с конкретными биологическими процессами в организме. Для этого рассмотрим механизм появления ощущений в живом организме. Формирование ощущений от воздействий окружающей среды начинается в специальных органах – рецепторах (сенсорах), структурно или химически связанных с нейронами (эти нейроны называют афферентными, аффекторными, сенсорными). В рецепторах, под воздействием определённых факторов окружающей среды, происходит трансформирование соответствующих чувствительных структур. Эти изменения запускают цепочку химических реакций и переносов молекул или ионов, в результате которых формируется химическое воздействие на связанные с рецептором нейроны. Указанные нейроны под этим воздействием изменяют своё энергетическое состояние – деполяризуются, одновременно меняется и химический состав в плазме нейронов. Их изменение состояния и даёт начало формированию элементарных ощущений от воздействия окружающей среды. Через некоторое время как рецептор, так и связанные с ним нейроны релаксируют в исходное состояние. Однако изменение состояния афферентных нейронов не будет замечено организмом, если эти нейроны сами, в определённых обстоятельствах, не выдадут свои определённые сигналы для дальнейшего их использования.
Как рецепторы, так и нейроны являются аналоговыми структурами, поэтому пока можно утверждать, что ощущения могут возникать в аналоговых устройствах и носят чисто оценочный характер.
Теперь можем сформулировать механизм появления ощущений в результате воздействий каких-либо внешних факторов. Ощущения возникают в результате континуальной перестройки определённого элемента системы под воздействием внешних факторов, например, в результате изменения химического и связанного с ним энергетического состояния, и сопровождающейся выдачей этим элементом сигналов, определяемых характером воздействующих факторов. Такие элементы мы в дальнейшем будем называть «нейроморфными элементами». В зависимости от типа и величины воздействующих факторов будет по-разному происходить изменение состояния нейроморфного элемента и выдача им сигналов, и, следовательно, можно говорить о разных ощущениях или о модальностях ощущений. Чтобы процесс ощущения не был одномоментным, необходимо, чтобы нейроморфный элемент в течение периода воздействия периодически изменял своё состояние и выдавал сигнал, а по окончании воздействия релаксировал в исходное состояние. Видно, что рассмотренный механизм ощущений можно относить не только к биологическим организмам. Он присущ и многим техническим устройствам. То есть, чтобы можно было считать, что аналоговый элемент обладает свойством ощущения некоторых внешних к этому элементу факторов, то есть являлся нейроморфным элементом, он должен:
- иметь некоторое основное устойчивое состояние;
- континуально перестраиваться под действием внешних факторов;
- вследствие разовой или нескольких перестроек, должен выдать оценочные сигналы, указывающие о произошедших перестройках;
- по окончании внешних воздействий должен релаксировать в основное состояние.
В биологических организмах минимальными элементами, с помощью которых в организме возникают ощущения являются отдельные нейроны. Ощущения, которые возникают от рецепторов через посредство афферентных нейронов или их объединение, мы будем называть рецептивными или первичными. Они являются элементарными, то есть создают самые простые (примитивы) ощущения. Таким образом, первичные ощущения возникают от воздействия рецепторов на афферентные нейроны. Однако, сигналы, которые поступают от этих нейронов, на другие нейроны по аксонам, являются воздействием на эти последующие (вставочные, ассоциативные) нейроны. Это воздействие на нейроны сигналами, приходящими от других нейронов, является внешним, и оно изменяет химико-энергетическое состояние вставочных (ассоциативных) нейронов, и теперь уже это воздействие может вызвать выдачу вставочными нейронами своего сигнала. То есть все вставочные (ассоциативные) нейроны по цепочке их возбуждения создают свои ощущения, которые мы будет называть ассоциативными или вторичными.
Вместе с тем, сигналы от нейронов могут поступать не по цепочке от одного нейрона на другой, а с нескольких нейронов сразу на группу нейронов. Эта группа нейронов, приняв сигналы от другой группы нейронов, в свою очередь, может возбудиться и выдать сигнал следующим структурам. Это означает, что группа создала своё ощущение. В этом случае возникает ощущение, которое вызывается после объединения и обработки определённой группы ощущений. То есть происходит формирование сложного ощущения или синтез ощущений. Из рассмотрения видно, что все сложные ощущения являются ассоциативными. При этом, ощущения от групп нейронов могут объединяться и упорядочиваться по некоторому алгоритму, составляя новую единую моду ощущения. Объединяющими признаками структуры, создающей новые сложные ощущения из составляющих ощущений, могут быть связи между нейронами (нейроморфными элементами), приводящие к их взаимной зависимости или влиянию, топологическая близость, одновременность действий, влияние гормонов и др.
Выше мы указывали, что пространственный и временной порядок объединения ансамбля спайков от нейронов определяет информацию, которую он несёт. То есть вся проходящая через ЦНС информация (в виде сигналов), с которой имеет дело живой организм, создаёт в нём ощущения. Эта информация и определяет модальность ощущения, то есть различие одних ощущений от других.
Таким образом, могут формироваться вторичные всё более сложные объединённые ощущения. Все элементы, которые создают более сложное ощущение вследствие объединения составляющих ощущений, то есть осуществляют синтез ощущений, можно рассматривать как объединенную структуру. Эту структуру можно считать одной нейроморфной системой или структурой, которая выдаёт уже гораздо более сложный по структуре сигнал. Таким образом, формируется определённая иерархическая структура ощущений с помощью иерархической структуры нейроморфных элементов.
Ранее было особо отмечено, что результат работы нейронов не вполне определён. Это же будет относиться и к ощущениям. То есть ощущения – результат неопределённости состояний элементов, оценочно обрабатывающих информацию. По результатам ощущения нельзя выделить определённый пакет информации, который их вызвал. И наоборот, один и тот же пакет информации может вызвать незначительно различающиеся ощущения, зависящие от химико-энергетического состояния нейронов в момент поступления на них сигналов.
Если бы информация и алгоритм были полностью детерминированы, то речь шла бы не об ощущениях, а об алгоритмах и процессах обработки информации цифровым элементом. Неопределённость приводит к тому, что результат обработки информации является нечётким. Он состоит из бесконечного множества различных близких друг к другу вариантов обработанной информации. В процессе передачи сигнала другим нейронам содержащаяся в нём информация нечёткая, то есть может рассматриваться как пакет бесконечного количества разных вариантов информации, но достаточно близких друг к другу. Однако, когда информация начинает объединяться и систематизироваться от многих источников, эта нечёткость относительно объёма сложной информации начинает снижаться. И в достаточно больших объёмах информации её относительная нечёткость практически исчезает, то есть перестаёт играть роль в обработке больших объёмов информации. Таким образом, сложные ощущения – более детерминированы, чем простые.
Теперь сформулируем общее понятие ощущения без привязки к живым организмам.
Ощущение – процесс реагирования аналогового элемента системы на поступающие к нему сигналы, содержащие некоторый объём нечёткой информации, основанный на активации этого элемента сигналами (например, на изменении его химико-энергетического состояния), и выдаче элементом после активации своих сигналов по нечёткому алгоритму, сопровождающейся континуальным изменением состояния элемента, с последующим релаксационным переходом этого элемента в деактивированное состояние при отсутствии поступающих сигналов.
В этом определении существенным фактором является то, что как информация является нечёткой, так и преобразование информации происходит по нечёткому алгоритму.
Образы
Введём определение образа – это устойчивая упорядоченная совокупность ощущений, которая может вызвать необходимую реакцию элемента организма. В зависимости от вида реакции, образы можно поделить на типы: зрительные, слуховые, осязательные, обонятельные, управления, символьные, мыслительные и др.
Для каждого из типов образов формируются свои пространственно-обособленные обрабатывающие их структуры. Это позволяет значительно упростить наполнение образов, так как образы одинакового состава, но находящиеся в разных областях, несут в себе совершенно разную информацию. С указанным обстоятельством связан интересный феномен. Существует нарушение работы ЦНС, при котором различные нотные звуки ассоциируются с определёнными цветами. Это обусловлено тем, что сопоставимые ноты и цвета передаются в организме с помощью одинаковых образов, но расположенных: один – в слуховой, а другой – в зрительных областях мозга.
Образ может сформироваться как продукт генетического развития организма, так и вследствие регулярного использования элементами организма определённой совокупности ощущений. Последнее происходит в результате неоднократного поступления на элементы, реагирующие на ощущения, схожих сигналов, и выработки на них определённых реакций организма за счёт обучения. Такое обучение происходит за счёт перестройки самой структуры. Следовательно формирование образов проявляется в организации определённых структур. Эти структуры начинают адекватным образом реагировать на знакомые для них поступающие сигналы. То есть при поступлении соответствующих образов на сформированные структуры на их выходах выдаются новые образы, подлежащие дальнейшему использованию. Если же поступающие сигналы не будут соответствовать образу, структура не выдаст надлежащих сигналов. Этот процесс можно назвать анализом образов. Так как образы проявляются как результат возбуждения нейронов, то они существуют в месте и во время этого возбуждения, то есть в очень короткий промежуток времени и локально.
Аналогично ощущениям может происходить объединение образов. Это объединение образов формирует более сложные образы.
Объединение образов происходит за счёт объединения ощущений, относящихся к разным образам, связанным между собой по каким-либо свойствам. Объединение ощущений создаёт более сложный образ, если этот процесс объединения неоднократно повторяется.
Таким образом, сложные ощущения формируют определённые более сложные образы. Начиная от достаточно простых (например, для зрительных ощущений это могут быть линии, фигуры и т.п.), потом переходя ко всё более сложным и, наконец, на каком-то высоком уровне объединения ощущений создаются сложные образы различного вида, позволяющих организму как-то рационально реагировать на эти сложные образы.
Дальнейший выбор реакции организма на сложные образы происходит за счёт последовательного выделения (фильтрации) из сложных образов той существенной информации, которая позволяет создавать управляющие команды для элементов организма. Этот процесс является анализом сложных образов, то есть поиск в массе образов таких его составляющих (более простых образов), которые позволяют сформировать наиболее рациональное поведение организма. То есть выбор реакций организма есть результат анализа образа. Очевидно, что в результате анализа, часть важных составляющих образа может потеряться. Вследствие чего реакция организма на сигналы от рецепторов может не учитывать некоторую важную для организма информацию.
Восприятие
Выше был отмечен недостаток выработки поведения организма через ощущения и сформированные образы – ограниченный объем использования информации, поступившей в организм, в процессе выработки управляющих сигналов для его поведения. Следовательно, вариантов выработки поведения организма на основе только ощущений может оказаться недостаточно в сложных внешних условиях. Решить эту проблему может дополнительный механизм анализа информации – восприятие инициируемых ею образов.
Восприятие (перцепция) образов структурой ЦНС организма – есть процесс их получения через посредство ощущений элементами этой структуры, сохранения и структурирования этих образов, состоящего в выделении образов с определёнными свойствами, анализа выбранных образов и последующей выдачи (этой структурой) массива сигналов, задаваемых выделенными образами, в целях её использования ЦНС, в том числе для выработки сложных вариантов поведения организма.
Из определения видно, что восприятие можно разбить на 5 стадий: 1 – получение образов, 2 – сохранение образов, 3 – обработка и структурирование образов до уровня выделения необходимых образов, 4 – анализ выбранных образов, 5 – выдача сигналов, определяемых анализируемыми образами, другим системам ЦНС для выработки дальнейшего действия систем организма.
Процесс формирования восприятия образов в живых организмах начался одновременно с появлением у них ощущений. Выше мы рассмотрели формирование ощущений в организме от воздействия внешних факторов среды. Это происходит с помощью рецепторов и связанных с ними нейронами, образующими рефлекторную дугу. Рецепторы, ощутив на себе воздействие внешних для них факторов, могут выдать сигналы нейронам с информацией, характеризующей эти факторы. Эти сигналы определяют образ воздействующих факторов от внешней среды. Далее рефлекторная дуга начинает обработку этого образа. Если он соответствует образу, на который настроена дуга, то сигналы доходят до исполнительных органов, в противном случае сигналы блокируются в самой дуге. В первом случае рефлекторная дуга направляет сигналы на управляемые им элементы, то есть произошло восприятие образа, во втором случае восприятие образа не произошло.
Ясно, что каждая дуга, анализируя образ, может воспринять один определённый образ. То есть здесь не требуется третьей стадии — выделения образа. При обработке образа в дуге выдаётся информация в другие системы ЦНС в форме сигнала (пятая стадия).
Таким образом, движущийся по цепочке нейронов рефлекторной дуги процесс сложных ощущений может привести к локальному восприятию только одного образа. Сохраняется информация, формирующая восприятие, в очень короткий промежуток времени, необходимый только для передачи информации по части дуги.
Из-за того, что первый возникший в природе механизм позволял воспринимать образы локально и в очень короткий промежуток времени – интервал трансляции сигналов по дуге, то возможности анализировать взаимодействие образов не существовало. Этот механизм локального восприятия можно назвать рационально-интуитивным. Такой механизм локального восприятия ощущений позволял организму, имеющему только ганглии, вырабатывать условные рефлексы. А после появления рептильного мозга — ориентироваться и действовать во внешней среде, распознавать пищу и врага или опасность во внешней среде.
В процессе эволюции организмов вначале появился простейший механизм интеграции восприятий – с помощью гормонов. Некоторые нейроны, получив определённую информацию, то есть восприняв её, начинают выделять определённые гормоны. Эти гормоны с током крови, через посредство глий, направляются к другим нейронам. И под действием этих гормонов меняется характер действия нейронов ниже по цепочке их возбуждения. В силу чего меняется характер восприятия информации нейронами. Этот механизм интеграции восприятия проявляется в виде эмоций и чувств. Он имеет ограниченный характер вследствие незначительного количества возможных вариантов гормонов. Этот механизм восприятий можно назвать эмоционально-чувственным. Он определяется лимбической системой организма.
Дальнейшая эволюция привела к тому, что в организмах появились структуры, которые позволили интегрировать восприятия гораздо более избирательно, чем гормоны. В процессе интеграции этими структурами значительно увеличивается время сохранения обрабатываемой информации и кардинально расширяются возможности восприятия образов. В частности, у млекопитающих данная структура развилась в коре головного мозга в виде объединяющей нейронной сети сложной топологии – с большим количеством связей соседних нейронов между собой, позволяющей интегрировать различные сигналы головного мозга.
Структура ЦНС млекопитающих
Очень кратко рассмотрим структуру ЦНС млекопитающих.
Их центральная нервная система представлена спинным и головным мозгом. Спинной мозг отвечает за передачу информации между головным мозгом и остальными частями тела, а также за координацию рефлексов, не зависящих от мозга. Для головного мозга млекопитающих условно можно выделить пять основных отделов. Продолговатый мозг (граничит со спинным мозгом) регулирует дыхание, сердечную деятельность, пищеварение, безусловные рефлексы. Задний мозг (включает варолиев мост и мозжечок). Варолиев мост содержит многочисленные центры, ответственные за различные рефлексы, а также передаёт информацию из спинного мозга в отделы головного мозга. Мозжечок производит координацию движений, и отслеживает положение тела в пространстве. Средний мозг (представлен четверохолмием и ножками мозга) создаёт ориентировочные рефлексы на свет и звук. Промежуточный мозг (включает эпиталамус, таламус и гипоталамус, с которым связан гипофиз) осуществляет терморегуляцию, регулирует обмен веществ (голод, насыщение, жажда), обеспечивает сложные двигательные рефлексы. Передний (конечный) мозг отвечает за зрение, обоняние, память, мышление, эмоции.
Наиболее поздней структурой переднего мозга является кора головного мозга (неокортекс). Он состоит из нескольких слоёв функционально и структурно различающихся нервных клеток. Причём нервные клетки различных слоёв взаимодействуют между собой поперечными к слоям связями, объединяясь в колонки (кортикальные колонки). По своему назначению, слои нейронов коры можно объединить в разные системы. Следовательно кортикальные колонки являются каналами передачи сигналов между нейронами разных слоёв. Для передачи сложных сигналов колонки объединяются в группы за счёт более многочисленных внутренних связей между собой.
На колонки поступают сигналы от других отделов мозга с помощью длинных нервных волокон (белое вещество головного мозга). Через них также происходит выход сигналов в другие части нервной системы.
В данной статье мы рассмотрим три важных системы коры головного мозга: сенсорно-аналитическую систему (САС), систему мобилизации образов (СМО), систему свёртки вызванных образов (ССВО). Две последних системы в совокупности назовём глобальным информационным пространством (ГИП), а все три указанные системы — глобальным рабочим пространством (ГРП).
Все три системы располагаются слоями в коре головного мозга параллельно и вплотную друг к другу. Они соединены между собой многочисленными синаптическими связями нейронов через кортикальные колонки. Сигналы от других структур нервной системы поступают по нервным волокнам в неокортекс через САС, а также через неё они уходят из неокортекса.
Далее в основном будем рассматривать работу различных систем коры головного мозга.
Сенсорно-аналитическая система
Вначале рассмотрим систему, которая играет основную роль в выработке рефлексов организма — сенсорно-аналитическую систему. Это название обусловлено тем, что в ней производится первоначальный анализ сигналов, поступающих напрямую в кору головного мозга от различных сенсоров организма, а также дополнительная аналитическая обработка сигналов от других структур нервной системы, имеющих свои сенсоры. Также из неё направляются информационные сигналы в другие разделы нервной системы и управляющие сигналы в различные исполнительные органы. Таким образом, с участием САС могут устанавливаться связи между различными информационными и управляющими сегментами нервной системы и организма. Причём эти связи могут быть очень длинными.
Работа элементов САС строится на принципах аналогичных работе рефлекторной дуги. Эти элементы включает в себя цепочку нейронов, начинающуюся от одного или группы нейронов, которую назовём а-стимулом, и заканчивающуюся на нейроне или их группе, которую назовём а-реакцией. Назначением а-стимулов является получение сигналов, поступающих в САС и содержащих минимальное количество информации любого происхождения (далее «начальный сигнал»), и последующее инициирование процесса обработки в САС этих поступающих сигналов.
Примерами а-стимулов являются афферентные нейроны, связанные с рецепторами, которые выдают организму сигналы с информацией об окружающей среде.
Назначением а-реакций является направление сигналов, содержащих обработанную в САС информацию, в различные части (элементы, структуры) организма, не входящие в САС.
Примерами а-реакций являются эфферентные нейроны, от которых поступают сигналы мышечным волокнам.
Введением префикса «а» в названия «а-стимул» и «а-реакция», мы указали на то, что эти элементы входят в структуру цепочки нейронов для проведения анализа сигнала в САС.
Как мы указали выше, по мере роста организма и обучения его нервной системы формируются новые стимулы с самыми разнообразными функциями с одновременным формированием цепочек нейронов, обрабатывающих сигналы на эти стимулы и задающих реакции на них. Следовательно, на базе работающих а-стимулов, в результате обучения нейросетей ЦНС организма формируются новые группы а-стимулов с самыми разнообразными функциями с одновременным формированием цепочек нейронов, обрабатывающих сигналы этих а-стимулов и включающихся в САС. На первом этапе развития САС вновь возникающие а-стимулы возбуждаются от различных вовлекаемых в работу рецепторов. То есть в процессе появления этих а-стимулов в работу включается всё больше рецепторов организма. Эти а-стимулы мы будем называть реальными.
Одновременно с этим начинают появляться а-стимулы, которые возбуждаются не от рецепторов, а от различных сигналов из ЦНС. Эти а-стимулы мы будем называть идеальными, то есть возбуждаемыми от сигналов, возникающих в результате действий самого мозга. По мере развития нейронной сети рост числа реальных а-стимулов сильно замедляется или почти прекращается из-за ограниченного количества рецепторов, а количество идеальных а-стимулов будет постоянно расти. Предел развития идеальных а-стимулов определяется максимально возможным уровнем развития самой САС внутри ЦНС.
Аналогично развиваются в организме а-реакции. При рождении (вылупливании) организма а-реакции вызывают безусловные рефлекторные действия. Эти действия заставляют, например, осуществлять рефлекторные сосательные действия мышцами лица. По мере развития а-стимулов и возбуждаемых ими цепочек нейронов появляются новые а-реакции, которые начинают вызывать всё более сложные действия организма. А-реакции, которые будут вызывать действия организма вне ЦНС, будем называть реальными.
При обучении ЦНС и формирования САС могут возникать сигналы, которые будут оказывать воздействия на работу ЦНС, увеличивая её управляющие функции. Работу ЦНС под влиянием этих сигналов назовём идеальными действиями, а инициирующие эти действия а-реакции также назовём идеальными. Идеальные а-реакции формируют психическую деятельность организма. Так как психическую деятельность мы связываем с наличием сознания, то следовательно уровень сознания определяется количеством идеальных а-реакций и а-стимулов.
Рассмотрим подробнее развитие возбуждений от а-стимулов к а-реакциям.
Из-за неопределённости работы одного нейрона сигнал от него может быть недостаточно функционально однозначен, то есть может не содержать достаточной информации, чтобы вызывать определённые действия. С целью повысить информационность сигнала, нейроны объединяются в группы. Минимальную по размерам группу нейронов, которая оперирует с достаточной информацией, назовём а-ядром. Все остальные более крупные объединения назовём а-массивом.
Сигналы а-ядра или а-массива будут являться средствами их воздействия на контактирующие с ними другие нейроны или их объединения. Ясно, что сигналы формируются из спайков нейронов. Поэтому средствами воздействия являются ансамбли (массивы) спайков, объединённые определённым образом (по количеству, месту в ансамбле, временным интервалам между спайками и др.). Пространственный и временной порядок объединения ансамбля спайков определяет информацию, которую он несёт и обрабатывает.
Возбуждением (торможением) а-ядра вследствие поступления сигналов к нему мы будем называть такое изменение химико-энергетического состояния элементов а-ядра, в результате которого увеличивается (уменьшается) вероятность выдачи им сигнала или количество информации, которое будет нести этот сигнал. Возбуждение и торможение мы также будем называть одним словом «энергосдвиг». В измерениях он проявляется в форме изменения потенциалов тела нейронов, составляющих а-ядро.
В течение краткого промежутка времени после выдачи сигнала, нейроны а-ядра, которые участвовали в выдаче сигнала, находятся в состоянии невосприимчивости к поступающим к ним сигналам. Следовательно, в течение этого периода а-ядро либо не способно обрабатывать информацию в полном объёме, либо обрабатывает его иначе. При отсутствии сигналов к а-ядру в течение некоторого времени его химико-энергетическое состояние релаксирует в основное состояние, которое обеспечивает полную обработку поступающих сигналов. Однако, иногда нейроны а-ядра могут спорадически выходить из основного состояния и выдавать одиночные спайки, а а-ядро, соответственно, выдавать простейший сигнал.
Объединяющим признаком нейронов в а-ядро является то, что это минимальная группа нейронов, энергосдвиг которых происходит таким образом, что соседние с этой группой нейроны не изменяют или мало изменяют своё состояние по сравнению с этой группой, за исключением локализованных (то есть ограниченных) участков на границе этой группы. Те нейроны, которые изменяют своё состояние на этих участках границы, назовём связью. Через связь осуществляется передача сигнала от одного а-ядра другому. Очевидно, что нейроны, через которые передаётся сигнал от одного а-ядра другому, являются общими для этих двух а-ядер. Связи для определённого а-ядра могут быть входящими, через которые сигнал поступает в а-ядро, и исходящими, через которые сигнал передаётся во вне а-ядра. У каждого из а-ядра должно быть не менее двух связей. Обработка информации с помощью а-ядра производится элементарными актами: или трансформацией информации и передачей её дальше, или объединением информации в нём после её поступления через входящие связи, или, напротив, разбиением информации и выдачей её через исходящие связи. При этом алгоритмы обработки информации каждым а-ядром различны. Эти алгоритмы определяются структурой а-ядра, включающей его связи, и энергетическим состоянием нейронов в ядре. Следовательно, алгоритмы обработки являются производными от информации, хранящейся в этой структуре, а также поступающей через связи (вследствие изменения состояния нейронов). Кроме того, мы отмечали, что работа нейронов зависит от поступающих к ним гормонов (нейромодуляторов). Соответственно, алгоритм обработки информации а-ядром зависит от этих гормонов.
Так как а-ядро хранит в себе некоторый объём информации, определяющей алгоритм обработки сигналов, а эта информация может в процессе обучения организма изменяться, то, следовательно, и структура а-ядра при этом может изменяется. Соответственно, будет меняться и алгоритм обработки информации.
Более крупная группа нейронов выше была названа а-массивом. Таким образом, а-массив — это группа нейронов, состоящая из нейронов или а-ядер, или а-массивов, которая обладает теми же свойствами, что и перечисленные выше свойства а-ядер (а-ядро также является простейшим а-массивом). То есть при обработке информации происходит рекуррентный плавный переход от одного возбуждённого а-массива к другому в пределах глобального массива нейронов, который назовём а-конвейером. Ясно, что разбиение а-конвейера на а-массивы является чисто условным и вводится для упрощения процесса рассмотрения обработки сигналов от а-стимулов к а-реакции.
Каждый из а-конвейеров начинает обрабатывать сигналы от своего набора а-стимулов. Возбуждения от них предаются своему набору а-ядер или а-массивов. Те в свою очередь передают сигнал дальше. Пройдя весь а-конвейер, обработанный сигнал поступает на свой набор а-реакций, замыкающий а-конвейер. При этом в а-конвейер через боковые связи а-массивов могут поступать модифицирующие сигналы от различных нейронных структур ЦНС. Они изменяют состояние некоторых элементов в а-конвейере и, следовательно, влияют на алгоритм обработки сигнала в нём и на результирующий обработанный сигнал, приходящий в а-реакцию. С другой стороны, от а-конвейера также могут отправляться через боковые связи информационные сигнала в различные части ЦНС. Эти сигналы позволяют получать сведения об обрабатываемой информации в а-конвейере другими системами ЦНС. В частности, обмен сигналами может происходить и между ближними а-конвейерами.
Одно из главных назначений боковых связей и сигналов через них – создавать возможности для объединения а-конвейеров, которые будут обрабатывать составные (сложные) образы. Поэтому, наибольшую роль боковые связи играют роль в период обучения нервной системы. Затем их количество значительно снижается.
Большинство сигналов, поступающих в а-конвейер и исходящих из него, распространяется вдоль колонок нейронов.
Рассмотрим различные возможные варианты топологий а-конвейеров.
Наиболее простой случай, когда а-конвейер начинается от одного а-стимула и заканчивается также на одной а-реакции. Причём среди них можно выделить наиболее простой, состоящий из афферентного, вставочного и эфферентного нейронов.
Более сложный случай представляют а-конвейеры, ответственные за условные рефлексы. У них между концевыми нейронами располагается достаточно большое количество вставочных нейронов, производящих обработку достаточно сложных сигналов. Однако у них имеется небольшое количество или полностью отсутствуют боковые связи. Благодаря этому такие а-конвейеры могут работать автономно.
Наибольшее количество а-конвейеров состоит из одного а-стимула и а-реакции и значительной группы вставочных нейронов, которые позволяют создавать большое количество боковых связей. Эти а-конвейеры работают только в связке с другими структурами ЦНС, поэтому они как правило вызываются последовательно, чтобы не влиять при работе друг на друга.
Возможен вариант, когда в процессе распространения возбуждений а-конвейеры могут расщеплять пути распространения сигналов. В этом случае может возникнуть разветвляющаяся структура а-конвейера. Такой а-конвейер позволяет, начинаясь от одного а-стимула или их компактно расположенной группы, формировать управляющие сигналы одновременно для нескольких а-реакций, удалённых друг от друга. Примером расщепления а-реакций является выдача эфферентного сигнала на исполнительный орган и одновременно копии этого сигнала в другие части ЦНС.
Может быть и обратный процесс: возбуждения от нескольких а-массивов могут объединяться и поступать на меньшее их количество или на а-массивы более низкого уровня (то есть меньшего размера). В этом случае может сформироваться сужающийся (сходящийся) а-конвейер. Такой а-конвейер позволяет собирать сигналы от нескольких а-стимулов, удалённых друг от друга, и подавать обработанный сигнал одной а-реакции или их компактной группе.
Ясно, что могут быть и варианты, когда а-конвейер начинается от группы а-стимулов, удалённых друг от друга, и заканчиваться также на группе удалённых друг от друга а-реакций.
Независимо от описанных топологий а-конвейеров все их можно считать линейными структурами, то есть длина пути распространения сигнала больше его ширины.
А-конвейеры можно классифицировать по типу а-стимулов и а-реакций. В первую очередь их можно поделить на простые и комплексные. Простые а-конвейеры имеют один а-стимул и одну а-реакцию, комплексные – несколько а-стимулов или а-реакций. Простые а-конвейеры по типу а-стимула и а-реакции (реальные или идеальные) можно поделить на: реально-реальные (РР) – создают простые рефлексы, реально-идеальные (РИ), идеально-реальные (ИР) и идеально-идеальные (ИИ) – три последних участвуют в создании сложных рефлексов и различных психологических действий.
На рисунке представлена схема работы простого а-конвейера
Рис. 1 Простой к-конвейер
Эквивалентная рис. 1 схема будет
Рис. 2 Эквивалентная схема простого к-конвейера
Для комплексного к-конвейера эквивалентная схема будет.
Рис. 3 Эквивалентная схема комплексного к-конвейера
В период бодрствования организма в САС постоянно будет возбуждаться хотя бы один к-конвейер. Влияние возбуждённых к-конвейеров на работу САС может быть различно. Одни – жизненно важные для организма – могут вызывать торможение остальных к-конвейеров. А другие, наоборот – могут стимулировать возбуждение иных к-конвейеров. Эти к-конвейеры могут развиваться независимо друг от друга, а могут и взаимодействовать между собой через боковые связи их к-массивов.
Вся совокупность к-конвейеров образует САС. Так как к-конвейер можно считать линейной структурой, то вся САС топологически может считаться набором большого количества линейных структур.
Отметим, что рассмотренные а-конвейеры являются одним из видов структур мозга, которые производят обработку образов. При поступлении на а-стимул посредством ощущений соответствующего образа, на который обучен а-конвейер, на выходе через а-реакцию будет выдаваться сформированный уже самим а-конвейером образ. Этот выходной образ, например, содержит набор сигналов для действий органов управления. Если же на а-конвейер поступает не его образ или набор сигналов, не отвечающий никакому образу, то на его выходе не должно быть никакого соответствующего образа, то есть могут быть не значащие сигналы или вообще не будет никаких сигналов. Кратко можно сказать, что а-конвейер является детектором, фильтром и генератором образов. Конечно, при этом сама структура а-конвейера также хранит соответствующий образ. То есть сама САС, в том числе, несёт функции хранения образов.
Система мобилизации образов
Таким образом, в САС происходит одномоментная и локальная работа с каждым образом. Однако необходимо обеспечить взаимодействие различных образов. Этому способствует система мобилизации образов. Её задача - обеспечить активное сосуществование некоторое время одновременно нескольких образов, появляющихся в разное время и независимо друг от друга, то есть их мобилизацию для выработки решения нервной системы при их совместном участии.
Это возможно осуществить в двухслойной сети с топологической схемой соединения нейронов, представленной на рис. 4 а).
а)
Здесь использованы обозначения:
тёмно-серые кружки – нейроны верхнего слоя,
светло-серые кружки – нейроны нижнего слоя,
тонкие сплошные стрелки – возможные направления движения сигналов между нейронами,
толстые двойные стрелки – реальное направление движения сигналов,
пунктирные стрелки – движение сигнала к запертому нейрону.
Рис. 4
Топология на рис. 4 а) представляет собой 2-х мерную сетку, образующую связанные друг с другом ячейки. Сигналы от нейронов верхнего слоя могут попадать только на 2 нейрона нижнего слоя и, наоборот, с нижнего слоя сигналы могут попадать только на верхний слой. Каждый конкретный путь сигнала зависит от того, какой нейрон из двух, принявших сигнал, выдаст его дальше. Сигналы в представленном на рис 4 б) пути могут двигаться в области от точки их поступления, а на рис. 4 в) могут циркулировать некоторое время по замкнутым путям, в данном случае – ячейкам. Благодаря возможности циркуляции сигналов в структуре может происходить их временное сохранение. В этом случае будет осуществляться постоянное повторение (воспроизведение) упорядоченного набора информации и следовательно повторяющиеся процессы ощущения. Как мы указывали ранее, упорядоченные наборы информации, регулярно повторяющиеся в процессе ощущения, являются образами. Время циркуляции сигналов, образующих образы, достаточно для того, чтобы разнообразные образы одновременно присутствовали в СМО. Кроме того, эти образы в структурах СМО могут восприниматься, то есть использоваться в различных структурах.
Работа СМО функционально зависит от САС, поэтому рассмотрим их работу в связке. Рассмотрение проведём в случае, когда и САС, и СМО хорошо обучены, то есть связи между нейронами двух систем через кортикальные колонки обеспечивают работу тождественных образов.
При прохождении возбуждения по какому-то а-конвейеру в САС, он может через свои боковые связи, а затем через колонки нейронов выдавать информационные сигналы в СМО (см. рис. 5). Поступившие сигналы распространяются в её определённой области (по схеме, аналогичной рис. 4 б)). Каждая из таких областей связана со своим а-конвейером. Указанные сигналы несут информацию о том, в какой степени эти обрабатываемые сигналы отличаются от образа, на который обучен этот а-конвейер (поправки к образу). В области распространения информационного сигнала формируются циркуляции (по схеме, аналогичной рис. 4 в)) с определённой картиной. Циркуляции на некоторое время сохраняют информацию об отличии образа в а-конвейере от записанного в структуре связей СМО при её обучении.
По завершении прохождения сигналов по а-конвейеру, он через идеальную а-реакцию выдаёт сигнал в СМО об обрабатываемом образе. Этот сигнал вызовет извлечение из структуры связей нейронов долговременной информацией об образе, запустив соответствующую циркуляцию. Ранее же возникшие циркуляции с поправками к образу будут дополнять возникшую информацию об образе. Таким образом, в СМО, в виде определённой картины возбуждённых циркуляций, будет инициироваться и сохраняться в течение некоторого времени образ, вызванный а-конвейером, то есть с учётом поправок к образу. В обученных САС и СМО для каждого образа, определяемого а-конвейером, будет формироваться своя картина возбуждений в СМО. В совокупности все циркуляции составляют во всей области СМО некоторую пространственную картину возбуждений. Все инициированные образы будут в дальнейшем использоваться, то есть восприниматься. Эти воспринимаемые образы в СМО будут существовать одновременно в некотором количестве, так как время затухания возбуждений, ассоциированных с образом, значительно больше, чем промежуток времени между инициированием новых образов. То есть, их количество определяется временем существования каждого из образов. В совокупности волны возбуждения всех одновременно воспринимаемых образов образуют специфическую для их комбинации интегральную картину.
Рис. 5 Схема мобилизации образа в СМО и инициирования с-конвейера в ССВО сигналами от а-конвейера
Система свёртки воспринимаемых образов
ССВО состоит из нескольких слоёв (как минимум двух). В этой системе слои делятся на два типа. Различие между ними состоит в том, что сигналы в них распространяются по примерно взаимно-перпендикулярным направлениям. То есть слои обладают очень сильной анизотропией направления распространения сигналов. Причём, если сигнал приходит непосредственно из САС, то он попадает в слой с одним направлением движения сигналов. Назовём этот слой: F-слой. Если же он приходит из СМО, то — в другой слой — с перпендикулярным направлением движения. Назовём его: G-слой. В каждом слое приходящий сигнал от области входа раздваивается и распространяется одновременно в противоположных направлениях.
Вначале рассмотрим распространение сигнала при его приходе из СМО, то есть в F-слое. От возбуждённых в СМО циркулирующих сигналов будет происходить непрерывный их поток в указанный слой. Этот поток сигналов от своих точек прихода будет непрерывно растекаться в противоположные стороны и будет вызывать в ССВО совокупность узких полос изменённых состояний нейронов, то есть определённую картину состояний нейронов — совокупность отображённых образов. Назовём эту картину сценой восприятия (см. рис. 6). Эта сцена восприятия будет включать в себя, в частности, отображение образов, полученных путём обработки в САС сигналов от рецепторов организма (зрительных, слуховых, обонятельных, осязательных и др.). То есть сцена восприятия собирает на себе все воспринимаемые в данный момент образы, мобилизованные в СМО.
Рис. 6 Схема создания сцены восприятия в ССВО от мобилизованных образов
По окончании прохождения сигнала по а-конвейеру САС, он выдаёт, через свою идеальную а-реакцию и далее по нейронам колонки не только сигналы в СМО для вызова циркуляции образа, но и сигналы в G-слой ССВО. Нейроны ССВО, принявшие эти сигналы, назовём с-стимулом. В названии используется буква с-, которая происходит от слова свёртка (или конволюция), так как дальнейший процесс обработки этих сигналов напоминает математический процесс свёртки.
Такой процесс символически можно записать так:
H(Δx,Δy,Δz)=<F(x,y,z);G(x-Δx,y-Δy,z-Δz)>.
Здесь угловые скобки <...> означают процесс свёртки, а H(Δx,Δy,Δz) её результат.
F(x,y,z) — функция от пространственных координат (x,y,z), заданная во всём пространстве свёртки Ω.
G(x-Δx,y-Δy,z-Δz) — генерируемая функция, производимая от заданной в локальной области ω задающей функции g(δx,δy,δz), где (δx,δy,δz) ∈ ω.
(Δx,Δy,Δz) — область анализа результата свёртки Ωс, то есть (Δx,Δy,Δz) ∈ Ωс.
Генерация G состоит в трансляции локальной функции g на всё пространство Ω.
Алгоритм самого процесс свёртки может быть различным. Например, если процессом свёртки является интегрирование произведения двух функций на всём пространстве, то он называется вычислением корреляции двух функций. В этом случае, при наличии какой-либо связи между двумя функциями F и G, результирующая функция H будет иметь явно выраженный максимум значения в некоторой компактной области. Именно в этой области транслированная сюда функция g в наибольшей степени будет связана со значениями функции F в этой области.
Другим примером процесса свёртки может быть получение картины изображения по голограмме с помощью двух волн: проходящей и опорной. В этом случае в H будут появляться образы, зафиксированные в голограмме.
Что-то подобное двум примерам свёртки происходит в ССВО.
Для рассматриваемого механизма работы неокортекса, функция F описывает все отображаемые образы в F-слое ССВО, инициированные от СМО. Задающая функция g описывает состояние нейронов с-стимула. При генерации G, согласно нашей модели, задающая функция g при её трансляции на область свёртки в ССВО будет постоянно трансформироваться в G-слое ССВО в соответствии со сценой восприятия. Обозначив пространственное распределение состояний нейронов, задействованных в сцене восприятия, оператором Ĝ, можем записать, что G=Ĝ(g). То есть, трансляция g означает не только её перенос в новые области, но также и её видоизменение в результате воздействия сцены восприятия.
Сигналы, поступившие на с-стимул, могут инициировать в ССВО волну возбуждения, распространяющуюся сквозь сеть состояний нейронов, установленную сценой восприятия. Весь массив нейронов, которые участвуют в прохождении указанной волны возбуждений, назовём с-конвейером.
Волновой процесс заключается как в трансляции функции g на всю область сцены восприятия, но также и одновременное вычисление свёртки.
Завершается этот с-конвейер его схлопыванием на компактной группе сильно возбуждаемых нейронов, с большой плотностью энергии возбуждения. Назовём эту группу нейронов с-реакцией. Математически им соответствует область максимальных значений функции H. То есть в процессе свертки должен находиться один образ, который создаёт компактную область с большими значениями H. Следовательно, свертка в ССВО имеет аналогию как к процессу вычисления корреляции, но также и к голограмме, так как образ из СМО трансформировался в протяжённые полосы в ССВО.
Задача рассмотренного с-конвейера: получив некий образ от с-стимула, на основании просмотра состояний всех нейронов, участвующих в процессе проведения сигналов по с-конвейеру через всю сцену восприятия в ССВО, выдать новый образ на с-реакцию. Причём этот сформированный образ должен инициироваться в области ССВО, которая через нейроны колонки связана с идеальными а-стимулами, один из которых может обработать поступивший образ. То есть свёртка с помощью с-конвейера должна происходить по такому алгоритму, чтобы возникающий новый образ появлялся в определённой области ССВО, откуда он может передаваться в САС от с-реакции вследствие большой плотности энергии возбуждения. После передачи этого образа в САС, один из его а-конвейеров, настроенный своим идеальным а-стимулом на этот образ, начинает его обрабатывать. Другие же идеальные а-стимулы в этой области не возбуждаются этим а-стимулом так как не настроены на него. Благодаря этому посторонние а-конвейеры не будут искажать работу выбранного а-конвейера.
Кроме возбуждения а-стимула, с-реакция должна вызвать соответствующую инициализацию образа в СМО, а после успешной передачи сигнала в две системы, должна релаксировать в невозбуждённое состояние. В процессе прохождения с-конвейера он также может посылать некоторые информационные сигналы в САС, таким образом влияя на последующую работу а-конвейеров.
Отметим принципиальную разницу а-конвейера и с-конвейера. Первый, в процессе обучения, забирает в свою структуру определённые нейроны и потому является статичной структурой и локальной в САС. Второй же – не имеет своих, обслуживающих только этот конвейер, нейронов. Любой нейрон ССВО может участвовать в работе различных с-конвейеров, поэтому с-конвейер является динамичной глобальной структурой, то есть охватывающей всю ССВО. Отсюда следует, что образующие ССВО нейроны должны иметь связи как с можно большим числом соседних нейронов.
Таким образом, из ССВО синтезированный образ, определяемый всей совокупностью образов сцены восприятия — как инициированных в СМО, так и полученных от других разделов нервной системы, перешёл в САС, возбудив определённый его а-конвейер. Дальнейший процесс повторяется. При этом состояние нейронов в а-конвейере может быть изменённым из-за приходивших перед тем модифицирующих сигналов.
Рассмотрим простую модель свёртки. Будем считать топологическую форму неокортекса прямоугольной. Систему же ССВО будем считать трёхслойной. Рассмотрим симметричную модель.
Рис.7 Схема прохождения с-конвейера в процессе свёртки
Вначале рассмотрим случай, когда в ССВО сцена восприятия пустая (На рис. 7 показано поперечное сечение ССВО именно в том месте где проходит с-конвейер). Будем считать, что от с-стимула волна возбуждения может двигаться в обе стороны параллельно длинной стороне прямоугольника, практически не расширяясь в поперечном направлении (см. также рис. 5). Дойдя до границы прямоугольника в одном g-слое ССВО, волна отражается и начинает двигаться в противоположном направлении по другому g-слою. Две эти волны встретятся. Точка встречи будет являться с-реакцией. Видно, что с-стимул и с-реакция при пустой сцене восприятия всегда будут расположены симметрично относительно оси симметрии прямоугольника, нормальной к большой стороне прямоугольника. Таким образом, в такой модели прямоугольный неокортекс будет разбит на две симметричные части. В каждой из них есть симметричные области, отвечающие за одни и те же функции. Причем, если стимул подошёл к одной области, то реакция последует из симметричной области. Например, если сигналы от зрительных рецепторов глаза поступают на одну область, то обработанная реакция на этот сигнал выйдет с симметричной области. И обе эти области будут полностью симметрично-идентичны, так как сигналы могут поступать равнозначно на обе области.
Однако, если сигналы поступают в область только в одну половинку, то области будут не вполне симметричны. Поэтому у каждой из половинок будет в этих областях несколько различная функция. Например, одна половинка может в большей степени отвечать за эмоции, чем другая. Или одна половинка больше приспособлена для логической деятельности, чем другая.
Ясно, что если сцена восприятия будет заполнена, то две волны встретятся и создадут с-реакцию не симметрично к с-стимулу.
Внимание
Выше было указано, что работа ГИП с информацией возможна только при одновременном участии ограниченного набора а-конвейеров, не мешающих друг другу. То есть постоянно происходит выбор из кадра восприятия только той его части, которая оценивается как более важная для организма по сравнению с остальной. В оставшейся же части кадра ГИП его деятельность мало активна и, наоборот, активизируется работа ГИП с выбранными образами кадра восприятия.
Процесс выбора и обработки некоторой совокупности образов из кадра восприятия с целью выработки реакции организма на информацию, содержащуюся в выбранных образах, называется вниманием. Эту совокупность образов из кадра восприятия назовём кадром внимания. В кадре внимания всегда остаётся минимально необходимое для полноценного анализа число образов, то есть внимание всегда сосредоточивается на узких областях деятельности ЦНС. Можно сказать, что внимание – это выделенная часть «Я».
Как рассмотрено выше, работа ГИП сопровождается постоянной подпиткой её структуры информацией от волн а-конвейеров САС. Ясно, что если будут поступать информационные сигналы одновременно от нескольких а-конвейеров, то они могут взаимно влиять друг на друга и искажать информацию. Поэтому выработался механизм подавления работы мешающих друг другу а-конвейеров. То есть в ГИП поступает либо сигнал только от одного а-конвейера, либо одновременно только от тех а-конвейеров, сигналы от которых не искажают друг друга, а напротив дополняют.
Существует несколько механизмов выбора кадра внимания: непроизвольный (пассивный), произвольный, послепроизвольный. Соответственно этим механизмам, внимание подразделяется на три типа с аналогичными механизмам названиями.
Непроизвольное внимание возникает под влиянием сильного сигнала от какого-то реального а-стимула, связанного с возбуждаемым рецептором. Большая величина этого сигнала вызывает преимущественное возбуждение определённого а-стимула. В результате будет развиваться только один а-конвейер, сигналы от которого и будут принимать участие в формировании кадра внимания. В течение всего времени действия сильного возбуждения рецепторов будет сохраняться внимание на воздействие. После прекращения воздействия это внимание может смениться произвольным вниманием.
Произвольное внимание возникает под действием внутреннего механизма ЦНС, вызывающего выдачу сигналов из ГИП на определённые идеальные а-стимулы, когда у организма возникает стремление (намерение) получить определённый результат. Этот механизм внимания задаётся сигналами, поступающими в ГИП от разделов ЦНС, формирующими цели, задачи, интересы, предпочтения и т.п. действий организма. Для произвольного внимания требуется определённое усилие нервной системы. Элементами, вызывающими произвольное внимание является лимбический мозг и некоторые другие разделы нервной системы. Благодаря их усилиям в ГИП будут направляться образы целей, задач, интересов, предпочтений и т.п. действий организма. Эти образы в ГИП будут вызывать возбуждение соответствующих им идеальных а-стимулов.
Послепроизвольное внимание является результатом поддержания уже существующего кадра внимания самой системой ГИП. Происходит постоянная активация тех образов, которые необходимы для анализа. При этом часть образов в этой стадии может выбрасываться из кадра внимания, а часть, наоборот, включаться. Активация необходимых образов происходит за счёт возбуждения самой ГИП идеальных а-стимулов, инициирующих развитие идеально-идеальных а-конвейеров САС. Этот а-конвейер заканчивается идеальной а-реакцией, которая выдаёт результат в ГИП. Этот результат обрабатывается и после ГИП выдаёт новые сигналы для возбуждения а-конвейеров в САС с помощью а-стимулов. Этот циклический процесс самовозбуждения идеально-идеальных а-конвейеров происходит пока ГИП не получит результат выделения компактной области, совпадающий с ранее полученными образами цели, задачи, интереса, потребности и т.п. действий организма. После этого ГИП возбуждает а-конвейер, заканчивающимся реальной а-реакцией, для исполнения цели, задачи, интереса, потребности и т.п. действий организма.
При наличии внимания подавляется возбуждение а-конвейеров, не участвующих в обработке образов внимания.
Таким образом, при наличии внимания ГИП работает с ограниченным набором образов. Именно эти образы, в момент их анализа и являются кадрами восприятия.
Для поддержания внимания существует механизм дальней связи между областями мозга. Одна область – центр внимания – посылает в другие области через диспетчера сигналы на подавление работы других областей.
Память
В слово память вкладывают два разных представления.
В одном представлении (адаптивном) память определяют как способность структуры определённым образом изменять характеристики, состав и взаимодействие своих элементов в результате различных воздействий на неё или на отдельные её элементы, являющихся поступлением информации к структуре, после которых изменяется её функционирование, то есть происходит адаптивная самонастройка функционирования структуры под характер воздействия.
В другом представлении (информационном) памятью называют способность сложных систем к сохранению и многократному воспроизведению или использованию информации.
Частным случаем такой памяти является когнитивная память – это способность живых организмов сохранять информацию в форме образов, с помощью которых он может формировать свои реакции.
Отдельно рассмотрим адаптивное и когнитивное представления. При этом оба подхода применим только к мозгу ЦНС.
Вначале рассмотрим адаптивное представление.
Как видно из предыдущего рассмотрения, эта память не связана с какими-то разделами мозга, а обусловлена строением различных структур мозга, выполняющих определённые функции.
Все механизмы адаптивной памяти в мозгу можно поделить на три категории:
- Структурная – за счёт синаптических связей.
- Динамическая – за счёт циркуляции сигналов между нейронами.
- Химическая (следовая) – за счёт химического следа от прохождения сигнала.
Структурная память содержит наибольший объём информации и является наиболее долговременной. Каждая синаптическая связь между нейронами является минимальным элементом этой памяти. Следовательно, весь мозг является носителем долговременной памяти. Любое прохождение сигнала через синаптическую связь есть одновременно использование некоторого объёма информации вследствие влияния этой связи на сигнал. Однако эта используемая информация является сильно неопределённой. Для увеличения определённости информации создаётся несколько синаптических связей между нейронами. Также может быть вовлечено несколько цепочек нейронов для обработки сигнала при его передаче. Информация в этой памяти сохраняется при неоднократном повторении различных схожих проходящих предыдущих сигналов, то есть путём адаптивного самообучения структуры от проходящих сигналов. Извлечение информации из этой памяти происходит путём изменения параметров проходящего сигнала.
Назначение такой памяти: непрерывная обработка любых сигналов в мозгу на основе накопленных структурных изменений в нём в результате самообучения.
С динамической памятью мы познакомились, когда рассматривали работу ГИП. Организуется эта память за счёт циркуляции сигналов по замкнутым путям, состоящим из цепочек нейронов. Время хранения информации в такой цепочке составляет несколько секунд. В этой цепочке может храниться временно информация, приходящая из САС. Эта же цепочка нейронов позволяет извлекать информацию из долговременной памяти ГИП, так как прохождение сигналов по этим цепочкам происходит через ранее созданные синаптические связи между нейронами, содержащие долговременную информацию.
Эта память служит базой для формирования когнитивной памяти.
Химическая память возникает вследствие прохождения сигналов через синапсы. Специальные глиальные клетки (астроциты), окружающие нейроны, регулируют работу их синапсов, выделяя или, напротив, поглощая нейромодуляторы, нейромедиаторы и др. химические соединения в межсинаптическое пространство. То есть работа астроцитов напрямую влияет на процесс передачи и обработки сигналов между нейронами. Очевидно, что каждый акт работы таких клеток сопровождается изменением баланса химических веществ в астроцитах и вблизи них. Это изменение баланса является химическим следом сигнала по нейронам. Однако этот химический состав, в свою очередь, будет влиять на прохождение следующих сигналов через синаптические связи нейронов. Это означает, что в химическом следе сохраняется некоторая информация о ранее прошедшем сигнале, которая будет передаваться следующему проходящему сигналу. Для диссипации этого химического следа требуется определённое время, и пока он не исчез будет происходить влияние этого следа на прохождение последующих сигналов. Неоднократное прохождение сигналов по одним и тем же синаптическим связям будет усиливать этот след. Усиливать его могут и специальные гормоны, вызывающие эмоции и выделяемые особыми нервными клетками. Время хранения информации в химическом следе может составлять несколько минут или часов.
Химическая память затем может вызывать перестройку синаптических связей между нейронами. Такая перестройка означает перенос информации из химической памяти в структурную.
Ясно, что в ячейках ГИП, по которым циркулирует некоторое время сигнал, влияние химической памяти наибольшее. Выше указывалось, что внимание связано с неоднократным прохождением сигналов в ГИП и САС по одним и тем же путям. В этом случае формируется сильный химический след. Последний, в свою очередь, может сформировать долговременную структурную память. Таким образом, внимание позволяет лучше сформировать долговременную память о тех явлениях, на которых было сосредоточено внимание.
Кроме того, внимание часто сопровождается различным эмоциональным отношением к объекту внимания. Эти же гормоны, которые вызывают эмоции, закрепляют химический след, вследствие чего информация из химической памяти надёжнее переписываются в долговременную память.
Рассмотренные механизмы показывают, что представление адаптивной памяти в полной мере применимо и к живому организму.
Другое представление памяти – когнитивное обусловлено особым механизмом работы мозга с информацией с помощью ГИП в связке с САС. ГИП позволяет формировать определённые образы, на которых может быть сосредоточено внимание. Как было сказано выше, образ – это упорядоченный набор информации, регулярно повторяющийся в каком-либо процессе. В частности, эти образы могут содержать информацию о прошлом опыте, событиях и переживаниях. В ГИП из других частей ЦНС могут поступать образы потребностей организма, его целей, задач. Все эти образы в процессе работы ГИП+САС могут использоваться для формирования реакций организма.
Воля
В психологии словом воля определяют когнитивный процесс, посредством которого человек принимает решение и обязуется следовать определённому курсу действий.
Благодаря воле каждое живое существо одно и тоже явление воспринимает по разному, а следовательно, и будет принимать разные решения.
Изучая процесс восприятия, мы рассмотрели роль идеальных а-стимулов. Их назначение – анализировать возможные действия организма. Анализ заключается в последовательном вызове различных а-конвейеров через посредство ГИП. Каждый а-конвейер позволяет произвести какую-то часть этого анализа. Однако, в силу неопределённости работы нейронов последовательность вызова а-конвейеров строго не определена. Каждый раз, когда в ГИП поступает сигнал от а-реакции, он активирует в ней группу нейронов, связанную с этой а-реакцией. Однако, в силу неопределённости работы нейронов, эта группа активируемых нейронов не точно определена. Затем эта группа активированных нейронов запускает процесс в ГИП, результатом чего является создание наиболее возбуждённой группы нейронов, которая передаст своё возбуждение новому а-стимулу, инициирующему новый а-конвейер. Этот аналитический процесс тоже обладает неопределённостью, поэтому какой а-стимул будет выбран зависит от состояний нейронов самой ГИП. От того какой будет возбуждён а-стимул зависит дальнейший ход работы связки САС и ГИП. Цепочка последовательных возбуждений а-конвейеров заканчивается принятием решения. Решение – такое состояние аналитической системы, которое может сформировать сигналы на некоторую последовательность действий благоприятную для организма. То есть дальнейшая работа аналитической системы будет сопровождаться выдачей сигналов на различные действия организма.
Способность ГИП возбуждать а-стимулы образов, вызывающих выработку определённого решения и позволяющих следовать определённым системой курсом действий, в зависимости от своего предыдущего состояния, называется волей.
Отсюда следует, что воля сопровождает внимание, то есть может быть только у организмов способных ко вниманию.
Сознание и самосознание
Первичными, базовыми составляющими звеньями сознания являются элементарные ощущения. Они создают способ работы с нечёткой информацией. Эти элементарные ощущения с помощью нейронных связей самоорганизуются в более сложные ощущения, в которых информация объединяется и упорядочивается по определённым признакам, то же не вполне чётким. Указанный процесс объединения ощущений достигает определённого уровня, с которого объединённые и определённым образом упорядоченные ощущения (за счёт выработанных связей между нейронами) позволяет организму совершать достаточно рациональные действия. Такую организацию обработки и использования ощущений, закреплённую в структуре нейронных связей, мы описывали как формирование в нейронной сети определённых образов. Эти образы могут инициироваться поступающей в виде ощущений извне организма информацией и обеспечивать формирование сигналов на регулируемые этими образами органы для их действий, адекватных поступающей информации. Поскольку весь описанный процесс является нечётким, результат действий организма может быть не всегда вполне рациональным. Однако, организм и далее продолжает получать информацию о своём новом состоянии во внешнем мире и, потому, может совершить новые действия, направленные на улучшение своего положения. В результате повторения этих циклов организм может достичь вполне оптимального для себя состояния.
Весь этот непрерывный цикл — постоянное получение информации, её обработка, запоминание и выработка решений — проявляется как сознание.
Таким образом, сознание – это непрерывный поток упорядоченных (иерархических) ощущений, формирующих образы, которые дают сигналы к выполнению определённых действий и их постоянному совершенствованию благодаря этому потоку. Выдача таких сигналов - есть локальное и очень кратковременное восприятие этих образов.
Сознание можно представить следующей схемой.
— область ощущений — область образов — область восприятий
Рис.8 Схема сознания
Самосознание создаётся по аналогичному принципу, но на основе интегрального постоянного восприятия мобилизованных образов. У организмов, обладающих самосознанием, имеется специальная система в ЦНС (мы рассмотрели ГИП), которая позволяет создавать непрерывные потоки восприятий образов не только из внешних ощущений, но и из самих структур ЦНС (в том числе из САС). Благодаря этому класс возможных образов становится чрезвычайно широким, и они приобретают способность взаимодействовать друг с другом, что обеспечивает принятие решений, максимально соответствующих целям, задачам и потребностям организма.
Итак, самосознание – это поток самоорганизуемых иерархических восприятий, направленных на выполнение определённых действий и оценку их результативности.
Самосознание можно представить следующей схемой.
— область ощущений — область образов — область восприятий
Рис.9 Схема самосознания
Очевидно, что существует широкий спектр уровней сознаний от простого до самосознания, в которых часть действий и их анализ основаны на локальных восприятиях, а часть — на интегральном постоянном восприятии. Первые мы называем неосознанными действиями, вторые — осознанными. Неосознанные действия осуществляются на основе а-конвейеров, функционирующих без активного взаимодействия с системами, формирующими постоянное восприятие.
Все уровни сознаний можно строить из блоков, представленных схемами на рис. 8 и 9. То есть сигнал на исполнение от одного блока может служить сигналом на анализ для другого блока.Такая структура должна возникнуть в результате эволюции организмов. По мере расширения возможностей их нервной системы, новые структурные образования подключались к уже существующим. Но так как организм всегда должен регулироваться как единая управляемая система, всегда должен быть блок, который синхронизирует действия других блоков. При этом, если мы рассматриваем самосознание, то синхронизирующим блоком всегда будет блок с постоянным восприятием.
В рамках всей этой модели сознания остаётся нераскрытым вопрос о том, как именно оно приобретает свою субъектность. Под субъектностью понимается способность сознания влиять на собственные реакции, оценивать их и контролировать — как бы со стороны.
Обратимся к ощущениям нейронов. Из-за их нечёткости уже на этом этапе происходит их оценка. Конкретно, нейрон не выдаст на поступивший сигнал вполне определённый ответ. Его реакция зависит от множества факторов: какие сигналы поступали ранее, какая среда сформировалась вокруг него под воздействием соседних нейронов, окружающей глиальной ткани, химических соединений, поступающих с кровью. То есть нейрон оценивает все эти факторы и, под их влиянием, выдаёт свой сигнал. В свою очередь, выданный сигнал влияет на другие нейроны и окружающую среду.
Таким образом, у каждого нейрона есть своя сфера зависимости, а также — сфера влияния этого нейрона на окружающие структуры. Реакция каждого нейрона — это его оценка множества факторов и одновременно — формирование этих факторов. Сферы зависимости и влияния всех нейронов пересекаются, и в результате происходит коллективная оценка. Чем больше нейронов вовлечено в этот процесс, тем более сложные состояния они могут оценивать, контролировать и на которые могут влиять.
Следовательно, один нейрон уже обладает элементарной субъектностью. А по мере роста коллектива нейронов субъектность увеличивается, достигая тех высот, которые мы называем субъектностью сознания.
Аксиомы сознания
- Сознание возникает в структурах, которые одновременно и хранят информацию, и обрабатывают.
- Сознание — проявление работы с нечёткой информацией через механизмы ощущений, образов и их восприятий.
- Сознание — возникает при циклической обработке потока нечёткой информации.
- В цикле должен присутствовать этап работы с ограниченным числом образов, составляющих внимание.
- В цикле должен присутствовать этап работы свёртки (конволюции) обрабатываемого ограниченного потока образов со всеми инициированными образами.
© Лошков И.В., 2025