В каких глубинах подсознания хранились эти картины, представления и звуки давно минувших лет? Как научиться вызывать определенные воспоминания и рационально использовать таким образом необъятную кладовую человеческой памяти? Ответы на все эти вопросы пока еще не получены. И все же, как ни далеки мы от полного познания сущности всех неимоверно сложных процессов, происходящих в нашем мозгу, нам удалось создать немало замечательных "мозгоподобных" машин, о которых лет двадцать тому назад - это можно смело сказать, не греша против истины, - не мечтал даже сам Норберт Винер, "отец кибернетики". Эти машины предсказывают погоду, в сотни тысяч раз быстрее человека производят сложные вычисления, отменно играют в шахматы, расшифровывают древние письмена, на расстояниях в сотни километров управляют технологическими процессами в цехах и на целых заводах, самостоятельно читают, переводят и записывают тексты, вычисляют траектории полетов космических кораблей и наиболее экономично планируют на десятилетия вперед производство целых отраслей промышленности, сберегая миллионы часов человеческого труда.

Однако, при всех своих "способностях", современные кибернетические машины во многом уступают возможностям человеческого мозга. Наш мозг, как известно, выполняет несоизмеримо более сложные задачи регулирования и управления, чем любая кибернетическая машина. Более того, он в совершенстве и с большой легкостью осуществляет ряд функций, которые пока не по силам электронным автоматам. В частности, мы имеем в виду решение широкого круга задач без предварительного программирования, распознавание образов и многое другое. Глубокое изучение процессов мышления, исследования в области теории самоорганизующихся и обучающихся систем имеют для бионики первостепенное значение. Следует признать, что здесь получено еще очень мало результатов, которые можно было бы использовать для полноценного моделирования и воспроизведения высшей нервной деятельности человека. Пока мы можем только сказать, что определился большой круг проблем, от решения которых в принципе зависит реализация этого грандиознейшего и сложнейшего из человеческих замыслов. В теме про "Зрячие машины" было упомянуто о том, что мозг обладает способностью сопоставлять, анализировать и обобщать получаемую им информацию. Существенно, что при этом он выделяет из нее и запоминает наиболее важное и после закрепления образовавшихся связей освобождает память для новых сообщений. Эту его особенность удалось промоделировать средствами современной электроники; однако, хотя ассоциативная память перцептронов оказалась достаточно эффективной, до сих пор неясно, верно ли она воспроизводит данную функцию мозга.

Человек всегда помнит больше, чем ему кажется. Однажды полученные впечатления могут уходить из центра внимания, но не изглаживаются из памяти окончательно. Так, например, французскому рисовальщику Гюставу Доре (автору широко известных иллюстраций в книгах "Гаргантюа и Пантагрюэль" Ф. Рабле, "Дон Кихот" М. Сервантеса и др.) издатель однажды поручил сделать рисунок с фотографии какого-то альпийского вида. Доре ушел, не захватив с собой фотографию. На следующий день он принес совершенно точную копию. Известно также, что самый удачный портрет президента Линкольна был написан провинциальным почитателем, видевшим его всего лишь один раз. По свидетельству современников, Юлий Цезарь и Александр Македонский знали в лицо и по имени своих солдат, а ведь их было очень много - 30 тысяч. Рассказывают, что Моцарт точно записал большую и сложную симфонию, услышанную только один раз. Композитор А. К. Глазунов легко восстановил утраченные партитуры больших музыкальных произведений. С. В. Рахманинову достаточно было один раз услышать фортепьянный концерт, чтобы точно воспроизвести его. А. Алехин помнил все сыгранные шахматные партии и, не глядя на доски, мог одновременно играть с 30 - 40 партнерами.

Установлено с абсолютной точностью, что мимо наших глаз и ушей ничто не проходит без следа, только не все воспринимаемое мы успеваем осознать. В одном из английских кинотеатров по заказу нескольких торговых фирм был проделан такой опыт. В пленку с фильмом вмонтировали кадры, рекламирующие мороженое и прохладительные напитки. Вставки мелькали, задерживаясь в поле зрения лишь на 1/25 сек, - этого мало, чтобы сознание успело отметить их, но глаз не пропускал ничего. После просмотра фильма продажа мороженого и воды повысилась почти в 2 раза !

К счастью, мозг не захлестывается непрерывным потоком обрушивающихся на него различных сведений и сообщений. Способность забывать - вернее, прятать вглубь - такое же бесценное свойство мозга, как и способность запоминать. Но достаточно какой-нибудь встряски, и архивы памяти начинают вдруг раскручивать бесконечную ленту воспоминаний. Так, полагают, что за короткие мгновения перед мысленным взором утопающих с поразительной четкостью проносятся картины всей их предыдущей жизни. Еще один пример - молодая женщина переехала из Польши в Россию и вскоре забыла родной язык. Но в возрасте 70 лет она перенесла кровоизлияние в мозг и снова заговорила по-польски. Любопытный факт. Безграмотная женщина безвыездно прожила всю жизнь в маленьком немецком городке. Однажды она тяжело заболела и в бреду, на удивление всем, произносила длиннейшие монологи на нескольких непонятных для окружающих языках. Священник заподозрил ее в колдовстве, и неизвестно, чем бы это кончилось, если бы не вмешался врач, пригласивший к постели больной ученых. К великому своему удивлению, они узнали латинский, древнегреческий и древнееврейский языки. Оказывается, в десятилетнем возрасте больная была служанкой в доме пастора, коллекционировавшего древние священные книги, которые он часто читал вслух, прохаживаясь перед ее каморкой. Ее память бессознательно фиксировала услышанное и сохранила все это в тайниках мозга. И еще один пример. В начале XIX века камердинер испанского посла в Париже, заболев горячкой, в бреду начал читать наизусть сложные политические трактаты, проявляя редкую осведомленность в вопросах дипломатии. Посол не верил своим ушам и намеревался сделать камердинера секретарем посольства, полагая, что он приобретет в его лице ценного сотрудника, своего рода живой справочник. Увы, по выздоровлении слуга снова превратился в усердного служащего, но недалекого человека. Он даже не подозревал, что память его хранит несметные сокровища знаний...

И еще один, последний пример. Вальтер Скотт работал над романом "Айвенго", находясь в болезненном состоянии. Впоследствии весь период работы над книгой выпал из его памяти, и, когда ему показали экземпляр только что отпечатанной книги, он не признал ее своей и сказал, что ничего о ней не знает и не помнит. Вот какие шутки иногда выкидывает человеческая память! Что же такое память? Где она расположена, каков механизм ее работы? Есть ли вещество - носитель памяти? Что происходит у нас в мозгу, когда мы запоминаем, вспоминаем или забываем? Запоминает ли весь мозг или памятью ведают отдельные группы нервных клеток? Какой ключ заставляет кладовые нашей памяти то послушно распахиваться настежь, то приоткрывать лишь щелку? Выдающийся американский математик Джон фон Нейман сравнительно недавно сказал по этому поводу следующее: "О природе и местонахождении памяти мы знаем не больше, чем древние греки, считавшие местонахождением разума диафрагму". Проблема изучения памяти, ее механизмов является сейчас одной из самых актуальных проблем в физиологии, кибернетике и бионике. Механизм памяти таит в себе своеобразное очарование, потому что он лежит в основе всех способностей человека к познанию и воображению. "Мне кажется, - писал Анатоль Франс, - что память - волшебная сила, что дар воскрешать прошедшее столь изумителен и драгоценен, как дар предвидеть будущее". В познании этой "волшебной силы" сегодня больше всего заинтересованы творцы электронных систем, мечтающие о создании искусственного мозга - машины фантастических возможностей. В настоящее время существует множество различных определений памяти. Одно из них предложено Е. Н. Соколовым; оно не очень сложно и не очень запутано и гласит: "Система обладает памятью, если она содержит в себе некоторую информацию о сигнале после того, как сигнал перестал действовать". В 31-м томе 2-го издания БСЭ дается следующее определение: "Память - запечатлевание, сохранение и воспроизведение того, что ранее человек воспринимал, переживал, делал, думал". И наконец, в "Энциклопедическом словаре" написано: "Память - отражение прошлого опыта, заключающееся в запоминании, сохранении и последующем воспроизведении или узнавании того, что раньше воспринималось, переживалось или делалось". Итак, одно из основных проявлений памяти - узнавание и воспроизведение. Узнавание образов - это то проявление памяти, которое обычно связано с восприятием. Воспроизведение же не обязательно происходит одновременно с процессом восприятия. Например, пианист может сыграть наизусть знакомую ему пьесу; закрыв глаза, вы можете воспроизвести лицо знакомого вам человека, вид вашей комнаты или однажды увиденный и полюбившийся вам ландшафт, скажем, в Карпатах. Восприятие информации и ее фиксация - это условия ее сохранения в памяти, а узнавание и воспроизведение - это обнаружение того, что данная информация сохранилась в памяти.

Рассмотрим теперь некоторые количественные параметры памяти человека. В определении емкости нашей памяти существуют значительные расхождения. Ученые оценивают ее величину по-разному: от полутора миллионов (1,5 · 106) до миллиона миллиардов (1015) и даже до 1023 бит*. Для оценки этой емкости используются различные подходы. Так, например, Кюмфмюллер при определении минимальной емкости памяти исходит из способности человека усвоить 100 тысяч (105) слов языка. При этом среднюю длину слова он принимает равной 6 буквам, а количество информации, приходящейся на одну букву в устной речи, 1,5 бит и в письменной - log232 = 5 бит. Это дает для минимальной емкости памяти * (Бит - единица информации в двоичной системе. ) Ммин = (1,5 + 5) · 6 · 105 = 3,9 · 106бит. Миллер оценивает пределы емкости памяти, исходя из следующих психофизиологических наблюдений. Минимальную емкость он оценивает в 1,5 * 106 бит, полагая, что человек способен запомнить (выучить наизусть) по крайней мере 1000 комплексов, равноценных таблице умножения, которая содержит 1500 бит информации. Максимальное количество информации он оценивает, исходя из предположения, что человек в течение 80 лет своей жизни ежедневно запоминает информацию по 16 час со скоростью 25 бит/сек, что является, по наблюдениям психологов, максимальной скоростью восприятия. Отсюда получается величина Ммакс = 25 бит/сек · 3600 сек · 16 · 365 · 80 = 4,5 · 1010 бит. И. Гуд, считающий, что запоминание определяется изменением состояний синапсов и что каждый синапс может находиться по крайней мере в 10 различных состояниях, оценивает память человека емкостью М=10 · 30 · 1010 = 3 · 1012 бит, где число 30 - число синапсов в расчете на один нейрон, а 1010 - число нейронов в коре головного мозга. Джон фон Нейман в своей книге "Вычислительная машина и мозг" подсчитал, что емкость памяти человека должна составлять 2,8 · 1020 бит информации. Если для записи одного бита требуется один двухпозиционный переключатель, то отсюда следует, что на каждый нейрон в нервной системе должен приходиться объем памяти, эквивалентный 30 миллиардам таких переключателей! X. фон Фёрстер считает носителями долговременной памяти молекулы белка, которые он назвал "мнемами". Исходя из того, что объем мозга равен 103 см3, объем одной молекулы белка равен 10-18 см3 и каждая молекула может накопить минимум 1 бит информации, фон Фёрстер оценивал емкость памяти человека астрономической цифрой... 1021 бит! Это, безусловно, крайне завышенная оценка. В действительности, по-видимому, нет необходимости заходить так далеко. Надо полагать, что истинные пределы емкости человеческой памяти составляют 1010-1015 бит, тогда как запоминающие устройства (ЗУ) современных электронных вычислительных машин (ЭВМ) способны накапливать до 106-107 двоичных единиц информации. И если бы мы захотели построить ЭВМ с ЗУ, равным емкости человеческой памяти, то при всем нашем желании мы этого не смогли бы сделать ни сегодня, ни завтра, ни даже в ближайшие десятилетия, так как общее число всех электронных ламп и транзисторов, имеющихся сейчас на всем земном шаре, едва соизмеримо с числом нейронов в мозге одного человека.

Необходимо также отметить огромную удельную емкость памяти биологических систем по сравнению с памятью технических запоминающих устройств. Если в лучших технических ЗУ эта величина (с учетом схем управления) достигает 103 бит/см3, то предполагаемая удельная емкость для мозга составляет около 1018 бит/см3. Практически , кладовые нашей памяти бездонны. Трудно представить себе ситуацию, в которой память была бы настолько заполнена информацией, что человек больше не мог бы воспринимать и запоминать новую информацию. Это резко отличает память человека от машинной памяти, в которой подобная ситуация - невозможности ввода новой информации из-за заполнения всех запоминающих ячеек - возникает весьма часто. Объяснение этого замечательного свойства памяти человека заключается вовсе не в безграничной потенциальной возможности фиксации информации, а в наличии своеобразных психофизиологических механизмов, предохраняющих мозг от "переполнения" информацией. У одних людей эти механизмы отличаются большей бдительностью, у других они более "либеральны". С этих позиций легко объяснить случаи так называемой феноменальной памяти и явления гипертрофического обострения памяти, или гипермнезии, возникающей в результате некоторых мозговых заболеваний. Этим же объясняется хорошая результативность проводящихся в последнее время опытов обучения во сне (при неглубоком сне материал запоминается значительно быстрее, чем в обычном, бодрствующем, состоянии). В состоянии такого сна некоторые механизмы, защищающие мозг от избыточной информации, оказываются выключенными, и поэтому обучение проходит быстрее. По всей видимости, все люди обладали бы феноменальной памятью, если бы им не "мешали" особые защитные устройства мозга. Не будь этих заградительных механизмов, наш мозг мог бы вместить такой объем знаний, который сравним с общим количеством информации, содержащейся в фонде Государственной публичной библиотеки им. В. И. Ленина, - порядка 1013 бит! Вот на что способен человек. Но, увы, каждый из нас необычайно мало использует возможности своей памяти. Мы напоминаем обладателя огромного архива, который пока не нашел ключа к нему. Этот таинственный "ключ" и ищут сейчас ученые всего мира - бионики и инженеры, физики и врачи, математики и химики. В 30-х и 40-х годах ХХ века известный нейропсихолог Карл Лэшли провел серию широких исследований, имевших целью обнаружить запоминающие области мозга - обособленные "центры памяти". Один из основных экспериментальных приемов Лэшли заключался в следующем. Крыс обучали сложной системе навыков. После того как крыса приобретала определенные навыки, у нее удаляли корковую ткань различных областей мозга. При этом было установлено, что ухудшение памяти зависит от величины удаленного участка, а не от того, какой именно участок удален. Т.о., поиски гипотетического "отпечатка памяти", так называемой "энграммы", не увенчались успехом, точнее, они дали отрицательный результат. Память не сосредоточена в каком-нибудь определенном участке мозга, нет, она является коллективным делом всех нейронов, которые сообща шифруют сведения, поступающие от органов чувств, и распределяют копии по всем "заинтересованным" отделам мозга. Иными словами, информация, поступающая в мозг, как бы диффундирует сквозь объемы серого вещества. Этим, вероятно, можно объяснить многочисленные случаи, когда прекращение деятельности некоторых групп нейронов в различных участках коры головного мозга не сказывается существенно на функциях памяти.

Что касается механизма хранения получаемых знаний, то по этому поводу мнения ученых на сегодняшний день в основном можно свести в следующую гипотезу. Существует два вида хранения: память кратковременная, оперативная, та, что всегда "под рукой", и память долговременная, "постоянная", стабильная, или, как еще говорят, долгосрочная, основная, фондовая, запрятанная довольно глубоко. Однако имеется немало веских доводов в пользу так называемой "трехступенчатой" теории памяти. Согласно этой теории, на первой ступени, или на первом уровне, находится короткая, "мимолетная" память, порядка нескольких секунд или даже и того меньше. Она воспринимает сотни чувственных впечатлений, которые непрерывно поступают в бодрствующий мозг и чаще всего тут же забываются. На втором уровне располагается память средней продолжительности - от нескольких минут до нескольких часов. Здесь в качестве примеров можно привести зубрежку перед экзаменами. На самом же глубоком уровне находится долговременная память. Из всех воспринимаемых впечатлений и информации отсеиваются и выбираются те данные, которые в силу их яркости, интереса или полезности сохраняются.

Эксперименты, подтверждающие эту гипотезу, выглядят довольно убедительно. "Если крысу или хомяка, - пишет Д. Вулдридж, - обучить выполнению какой-либо новой задачи и спустя несколько минут после окончания тренировки пропустить через головной мозг животного достаточно сильный электрический ток, вызывающий судороги, то это приведет к частичной или полной утрате результатов обучения. Если шок следует за обучением всего лишь через 5 мин, результаты утрачиваются полностью: при промежутке в 15 мин потеря навыка еще значительна, если прошел целый час - совсем невелика; через несколько часов после окончания обучения электрошок уже не оказывает видимого влияния на сохранение результатов обучения в памяти и на способность животного выполнять усвоенную процедуру. Очевидно, в этих опытах ток, пропускаемый через мозг, не может повредить следы, если они уже закрепились в долговременной памяти, но еще способен либо разрушать следы "промежуточной" памяти, либо инактивировать неизвестный механизм превращения их в следы постоянной памяти. В том и другом случае эти эксперименты, по-видимому, указывают на то, что у исследованных животных время, необходимое для формирования следа в долговременной памяти, измеряется минутами, а не часами". "Т.о., - писал далее Д. Вулдридж, - субъективные наблюдения в сочетании с объективными данными привели нас к "трехстадийной" теории памяти. В течение короткого времени мозг автоматически сохраняет информацию о состоянии внешней среды в данный момент, доставляемую нервными импульсами от наружных рецепторов. При отсутствии отбирающих и закрепляющих процессов следы этой входной информации исчезают очень быстро - вероятно, за несколько секунд. Однако в нормальных условиях, отчасти сознательно, отчасти бессознательно, какой-то концентрирующий внимание механизм - возможно, ретикулярная активирующая система - производит первичную сортировку поступающих данных, часть которых выделяется им как особо интересная и передается для хранения механизму, который мы назвали "промежуточной" памятью. Если след памяти подкреплен процессом концентрации внимания, он может, по-видимому, сохраняться в этом промежуточном состоянии несколько минут. В мозгу, функция которого нарушена в результате болезни, хирургического вмешательства или электростимуляции, такое закрепление может оказаться невозможным, и тогда след памяти по прошествии нескольких минут безвозвратно утрачивается. В нормальном же мозгу протекает какой-то процесс, в результате которого этот след фиксируется. Видимо, и в этом случае концентрация внимания - возможно, с помощью того же механизма, который отбирал первичные сенсорные данные, - окончательно закрепляет некоторую часть информации в долговременной памяти, другая же часть ее фиксируется настолько слабо, что может и вовсе выпасть из системы памяти, если не будет позже подкреплена повторением или "внутренним" воспроизведением.

Но если все это так, то какова же все-таки материальная основа памяти? В каких физических формах она обитает? Первая основательная современная теория памяти, которая пользовалась довольно широким признанием до самого последнего времени, исходила из того, что память обусловлена чисто электрическими явлениями. Согласно этой простой и изящной теории, каждая поступившая в центральную нервную систему единица информации образует в мозгу электрическую цепь из нейронов. По этим цепочкам (а их может быть для восприятия информации, поступающей в течение всей жизни, бесконечное множество) "гуляют" токи определенной частоты, и каждая из них - это зашифрованный образ. Тот факт, что нервные импульсы от сенсорной системы прокладывают следы памяти различной силы и частоты через синапсы в нервной сети головного мозга и формируют схемы, способные к последующему воспроизведению, позволил английскому физиологу Ч. Шеррингтону найти для мозга весьма удачное образное сравнение. Ученый уподобил мозг "...волшебному ткацкому станку, на котором миллионы сверкающих челноков ткут мимолетный узор, непрестанно меняющийся, но всегда полный значения". В начале беседы нами были отмечены опыты Джаспера и Пенфилда, которые показали, что в височной части больших полушарий коры головного мозга человека находятся отделы, раздражение которых электрическим током вызывает у людей определенные воспоминания. Эти эксперименты прекрасно согласовывались с "электрической" теорией памяти. Однако результаты поставленных позже других опытов заставили ученых усомниться в правильности этой теории. Различных подопытных животных приучали к выполнению тех или иных задач, а затем мощными электрошоками или сильнодействующими препаратами пытались стереть или разрушить электрические схемы памяти, но животные и после этого не теряли своей "квалификации". Не могла "электрическая" теория объяснить и многие другие факты: почему, например, сохраняется память, когда мозг поврежден и электрическая активность его коры почти полностью утрачена? Почему так мало выделяется энергии в мозгу, хотя по электрической теории памяти все должно было бы быть как раз наоборот?

В общем, память упорно не хотела укладываться в электрическую теорию, и ученым в конце концов пришлось от нее отказаться. Видимо, решили ученые, запоминание происходит за счет каких-то изменений внутри нейрона, на молекулярном уровне. И ученые занялись поисками химических основ памяти.

Первым проник в молекулярные глубины головного мозга шведский нейрофизиолог, профессор гистологии Гётеборгского университета Хольгер Хиден. Для проведения исследований на молекулярном уровне ему надо было прежде всего усовершенствовать методику выделения изолированных живых клеток мозга. Главная трудность в химии головного мозга заключается в том, что исследователям приходилось иметь дело с неоднородной тканью, и поэтому нередко результаты оказывались путаными и неясными. Начав свои исследования примерно в 1957 г., Хиден разработал специальный набор инструментов из нержавеющей стали, состоящий из микроножей и тончайших крючков. После года терпеливой и настойчивой практики он научился, пользуясь этим набором и стереомикроскопом, изолировать нейроны размером меньше пылинки. Он научился "счищать" с нейрона более мелкие глиальные клетки, а затем и выделять ядро из тела нейрона, что позволяло анализировать каждый его компонент по отдельности. Хиден обнаружил, что в нервных клетках содержится поразительно большое количество рибонуклеиновой кислоты (РНК) - в десять с лишним раз больше, чем в глиальных клетках. Кроме того, он установил, что процессы синтеза и разрушения РНК в нервных клетках протекают с большой скоростью. Более того, оказалось, что РНК нервных клеток отличается по составу от глиальной РНК. Все виды РНК состоят из четырех оснований: аденина, гуанина, цитозина и урацила, скомбинированных в различных пропорциях. Связь между основаниями и их чередование в молекуле определяют код, который несет на себе РНК. Хиден установил, что концентрация аденина и урацила в клетках обоих видов примерно одинакова. Но нервная клетка содержит пропорционально больше гуанина и меньше цитозина. К началу 1960 г. Хиден и его коллеги накопили огромный экспериментальный материал, множество поразительных данных. Опыты ставили на кроликах, крысах и других животных. Некоторых животных подвергали обычной стимуляции, в частности вращали на центрифуге, других приучали выполнять определенные задачи. Так, например, в деревянную клетку помещали крыс, которые должны были добывать себе корм несколько необычным способом. На высоте около метра в ней установили маленькую платформу с кормушкой, к которой вела стальная проволока. Крысы должны были научиться карабкаться по проволоке, чтобы добыть себе пищу. После четырехдневной тренировки вестибулярный аппарат, ведающий равновесием тела животных, к которому при добывании корма предъявлялись весьма высокие требования, стал справляться с трудной задачей - крысы научились удерживаться на проволоке. После этого животных умерщвляли и исследовали ту часть их мозга, которая была "ответственна за равновесие". Изучение нервных клеток вестибулярного аппарата крыс-"канатоходцев" привело к интересным результатам. Было установлено, что возбуждение, вызванное обучением животных новым навыкам, значительно повышает выработку РНК в нейронах головного мозга, которые и без того содержат больше РНК, чем любые другие клетки тела. Кроме того, с повышением активности РНК в нейроне она снижалась в связанных с ним глиальных клетках, и наоборот. Таким путем выяснилось, что глиальные клетки, которые до этого считались не более чем опорно-изолирующими структурами для нейронов, на самом деле активно с ними связаны. Когда активность нейрона достигает своего максимума, нейроглия снабжает его дополнительной РНК и соединениями, богатыми энергией; когда нерв "успокаивается", нейроглия пополняет свой собственный запас РНК. Самое же важное в результатах Хидена состояло в том, что при экспериментальном возбуждении головного мозга той или иной формой учебных упражнений в нем не только повышается выработка РНК, но изменяется и ее состав: небольшая часть этой РНК отличается последовательностью оснований или химическим составом от любой РНК, обнаруживаемой в нейронах "необученных", контрольных животных. В этих видоизмененных молекулах РНК, очевидно, и закодированы вновь приобретенные знания - к такому заключению пришел ученый. Своими открытиями Хиден, в сущности, подвел первый физический фундамент под молекулярную, химическую теорию памяти. Согласно этой теории, импульсы, приходящие в мозг, изменяют электрические цепи, которые всегда существуют между нервными клетками - нейронами. При этом нарушается ионное равновесие внутри клетки, что и влияет на РНК, точнее сказать, на ее основания. Иногда они меняют свое местоположение, что соответствует фазе переходной памяти. Меняется и сама РНК - программа, по которой в клетке синтезируется соответствующий белок. Меняется и сам белок. Так РНК и белок совместно создают постоянные следы памяти внутри клеток коры головного мозга. Во время воспоминаний сигналы поступают в те мозговые клетки, где уже хранится информация. Происходят сложные реакции, в нервных клетках наступает разряд, в результате чего из кладовых "выдается" запасенная информация. Следы памяти образуются во многих клетках мозга. Поэтому-то и невозможно найти в мозгу какое-либо одно место, где хранится память. Итак, по Хидену, запоминание происходит на молекулярном уровне. А нейронные цепочки - это только вспомогательный аппарат памяти, "собирающий" блоки памяти. Как видите, разница между электрической и химической теориями памяти весьма существенна.

Гипотеза Хидена о том, что память содержится в молекуле, вызвала настоящий взрыв экспериментов. Некоторые исследователи полагали, что самые прямые опыты должны состоять в том, чтобы перенести молекулы РНК из мозга обученных животных в мозг необученных и наблюдать результаты. Американский психолог Мак-Коннел выбрал для своих опытов планарий - крохотных водяных червячков. Их приучали к тому, что одновременно со вспышкой света наступит раздражение - электрический укол. После нескольких сочетаний укола и вспышек у червей вырабатывался оборонительный рефлекс: достаточно было только вспышки света, и тело планарий тотчас же сокращалось. Добившись такого "запоминания", экспериментатор растолок в ступке "обученных червей" (причем настолько тщательно, что о сохранении каких-либо клеточных структур не могло быть и речи) и полученной массой кормил планарий, ничего не "знающих" ни о вспышке света, ни об электрических уколах. В 1962 г. Мак-Коннел опубликовал сенсационное сообщение, в котором писал, что его "образованные" черви, будучи изрублены и скормлены "необученным" червям, передали им свою приобретенную способность. Последние вдвое быстрее, чем их предшественники, научились реагировать на световой сигнал. Иными словами, "необученных" червей накормили памятью! В поисках подтверждения гипотезы о химической основе памяти и возможности "передачи" памяти искусственным путем следующий важный шаг вперед сделала в 1964 г. группа американских ученых под руководством психолога Аллана Л. Джекобсона. Всю свою экспериментальную работу в этом направлении исследователи Калифорнийского университета перенесли с такого низшего звена, как черви, на крыс.

Джекобсон и его коллеги сначала приучили крыс бежать к кормушкам после того, как раздавалось резкое пощелкивание. С каждым щелчком в кормушку падала маленькая порция пищи, вознаграждавшая крысу за ее приход. Когда дрессировка была закончена, животные были убиты, и РНК, выделенная из их мозга, вводилась другим, недрессированным крысам. Что же получилось? "Необученные" крысы после пощелкивания начинали поиски кормушки с пищей. Как сообщалось в научном журнале Калифорнийского университета, исследователи 25 раз повторили опыты с каждой из 7 крыс, которым была введена РНК "обученных" животных, и установили, что при подаче сигнала крысы, не прошедшие дрессировку, от одного до десяти раз приближались к кормушке вплотную. Чтобы подтвердить свои наблюдения, исследователи вводили РНК от группы "необученных" контрольных крыс 8 другим, таким же "необученным", и повторили испытания. Крысы никак не реагировали на звук резкого щелчка. Далее ученые усложнили опыты. Они провели подобные же эксперименты, в ходе которых РНК бралась для инъекции от крыс, обученных отыскивать пищу при пощелкивании или при действии мигающего света, а также от "обученных" животных других видов, например от хомяков, которые близки крысам, но имеют много отличий. Эти эксперименты также подтвердили, что РНК переносит информацию сегодняшнего дня и это проявляется даже тогда, когда животные относятся к разным видам! Так своими экспериментами Джекобсон поддержал гипотезу о записи опыта в молекулах РНК ("гипотеза РНК-энграммы", или "РНК-гипотеза"). Общая черта этих гипотез, напомним, заключается в стремлении использовать огромную информационную емкость основных биологических макромолекул - ДНК, РНК и белков - для объяснения записи поступающей в мозг разнообразной информации путем соответствующих изменений в их молекулярной структуре. И действительно, "РНК-гипотеза", казалось бы, разрешает некоторые сложные проблемы и, в частности, может объяснить, каким образом в памяти хранится чрезвычайно разнообразная информация. Во всяком случае то, что в образовании запаса знаний "виновата" именно перестройка молекулы белка, позволило одному известному биофизику дать необычайно яркий образ: "...в основе каждой уродливой мысли лежит химически изуродованная молекула". Приверженцы же научной фантастики из опытов Хидена, Мак-Коннела и Джекобсона не приминули сделать предельно ясный вывод: весь процесс обучения человека в будущем будет сведен к небольшому числу инъекций памяти. Однако, несмотря на добытые экспериментальным путем обоснования "РНК-гипотезы", эта гипотеза сталкивается с серьезными возражениями. Так, комментируя статью Джекобсона "Знание, переданное шприцем", старший научный сотрудник Института молекулярной биологии АН СССР К. Кафиани пишет: "РНК-гипотеза" предполагает изменение последовательности расположения составных частей РНК под влиянием внешней среды. Это предположение несовместимо с твердо установленными молекулярной биологией данными о механизме образования и о физических и химических свойствах РНК. Дело в том, что гипотеза предполагает существование принципиально иного, чем во всех известных живых системах, способа кодирования информации в макромолекулах. Хотя мозг и является наиболее высокой формой организации живой материи, однако нет достаточных оснований думать, что его работа построена на принципах, не подчиняющихся общим закономерностям живых систем. Напротив, всем опытом биохимии и молекулярной биологии доказано принципиальное единство химических и молекулярных механизмов на всех уровнях организации живой материи. Особенности функционирования мозга надо, мне кажется, искать не столько в особых, гипотетических, можно даже сказать, фантастических принципах молекулярных процессов, сколько в особом характере над-клеточной организации нервной ткани. Ведь удивительные свойства кибернетических устройств определяются не сложностью их элементов или действием особых физических механизмов, а особым способом соединения этих элементов в некоторую сложную систему". Определенные сомнения вызывают у ряда ученых и экспериментальные обоснования "РНК-гипотезы". Во-первых, говорят они, результаты подобных опытов часто направляются в желаемую сторону самими условиями эксперимента. Во-вторых, кажется весьма маловероятным, чтобы довольно непрочная молекула РНК, введенная в организм рецепиента, могла добраться до мозга целой и невредимой через пищеварительный тракт и барьер, который ограждает мозг от крупных чужеродных молекул.         - "Всякий, кто имел дело с РНК, - пишет К. Кафиани, - знаком и с ее заклятым врагом - ферментом рибонуклеазой, которая с огромной скоростью превращает стройные молекулы РНК в смесь низкомолекулярных осколков. Этот фермент присутствует в любой клетке организма (а значит, и мозга), в крови, с которой РНК должна якобы доставляться в мозг. Вероятность того, что РНК достигнет места ее функционирования в мозгу, сохранив закодированную в ней информацию, поистине ничтожна". И наконец, самый сильный аргумент против "РНК-гипотезы" заключается в том, что некоторые ученые воспроизвели опыты Мак-Коннела и Джекобсона, но не смогли воспроизвести их результатов. Поэтому представление о том, что память или выученную способность можно перенести в молекуле из одного организма в другой, встречает серьезные возражения. Существует мнение, что результаты поставленных опытов можно объяснить скорее передачей "способности к навыку", нежели передачей информации как таковой. Например, в некоторых опытах червям скармливали других червей, которые научились быстро находить правильную дорогу в простом лабиринте. Черви-каннибалы находили путь через лабиринт скорее, чем другие, но и они не могли проползти через него сразу, без предварительной тренировки. Вполне возможно, что передается не сама память, а какое-то вещество, ускоряющее процесс запоминания. Нужно сказать, что, по мнению самого Джекобсона, на основании проведенных им экспериментов пока еще рано делать какие-то обобщения и выводы относительно "РНК-гипотезы". "Все еще остаются нерешенными, - пишет ученый, - некоторые фундаментальные проблемы. В чем состоит действительная природа явления переноса поведения и можно ли отнести его к запоминанию, что вызывает это явление - уверены ли мы, что это РНК и только РНК? Неясно и многое другое... Проблемы запоминания и памяти сегодня не стали проще, чем когда-либо; действительно, может показаться, что новый биохимический подход поставил больше вопросов, чем дал ответов..." И все же, несмотря на высказываемые многими учеными возражения и сомнения по поводу "РНК-гипотезы", безусловно, следует положительно оценить общую тенденцию к поискам связи между физиологией высшей нервной деятельности и молекулярной биологией. Разработка правильной в целом идеи об участии РНК и белкового синтеза в явлениях долговременной памяти, безусловно, перспективна. По всем данным РНК принадлежит немаловажная роль в механизме памяти. Это вещество очень близко к дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК), являющейся, как известно, носителем информации наследственности, зашифрованной в химическом виде фактически во всех живых организмах. Если генетическая информация может передаваться веществом ДНК, то вполне резонно предположить, что вещество РНК может быть носителем информации другого типа...

Пока никто не в состоянии дать исчерпывающий ответ на все вопросы, связанные с деятельностью мозга: о механизме памяти, об удивительной системе произвольного доступа к огромным запасам информации, хранящейся в мозгу, о гибкости и надежности памяти человека. Но великий русский физиолог И. М. Сеченов, очень хорошо понимавший титаническую трудность проблемы, утверждал, что предпосылки для понимания функции мозга состоят в "...строгом разборе его машинности". Успехи кибернетики и бионики - лучшее доказательство справедливости этого тезиса. Новым наукам, развиваемым совместными усилиями физиологов, математиков и специалистов по электронике, союз которых оказался чрезвычайно плодотворным, по плечу любая задача. Рано или поздно ученые смогут выведать у мозга самые сокровенные его тайны. Значительная и даже, пожалуй, основная часть ведущихся ныне исследовательских работ по бионике посвящена созданию аналогов биологического нейрона - нервной клетки, являющейся основным элементом нервной системы. Конечная цель этих работ - создание систем, предназначенных для накопления, обработки и передачи большого количества информации, электронных машин, способных решать любые сложные задачи без предварительного программирования, различных самообучающихся, адаптивных (самоприспосабливающихся), самонастраивающихся, самоорганизующихся устройств, обладающих малыми габаритами и высокой надежностью. Иными словами, речь идет о создании широкого комплекса автоматических систем, функционирующих по принципу, аналогичному законам деятельности и принципам организации живого мозга. Нервная система человека и животных содержит нейроны различных типов, при помощи которых мозг воспринимает, обрабатывает, накапливает и передает информацию, регулирующую работу биологической системы в соответствии с изменением внешних условий, т. е. так, чтобы обеспечить ее наибольшую адаптацию к окружающей среде. В основном нейроны делятся на три класса: чувствительные (сенсорные), или рецепторные, которые воспринимают и передают свет, тепло, давление и другие воздействия внешней среды; двигательные (моторные), или эффекторные, контролирующие сокращение мышц; вставочные (ассоциативные), или про-межуточные, которые связывают между собой специализированные типы и комплектуют мозг. Нейроны этих трех классов можно рассматривать как входные устройства, выходные устройства и все, что находится между ними. Помимо различий в величине и форме, у нейронов встречаются и необычные структуры, наиболее заметные у некоторых рецепторных нейронов; окончания этих нейронов снабжены разнообразными приспособлениями (физик назвал бы их преобразователями), с помощью которых давление, химический состав, температура или иные физические величины, воспринимаемые нейронами, могут преобразовываться в особые электрохимические сигналы. Для того чтобы познакомиться со строением нервной клетки и ее работой, возьмем в качестве образца промежуточный нейрон. Этот выбор обусловлен тем, что промежуточный нейрон является типичной нервной клеткой живого организма - из общего числа имеющихся у человека нервных клеток более 9 миллиардов являются промежуточными нейронами. Схематическое изображение нейрона приведено на рисунке ниже. Он состоит из тела клетки (1), содержащего ядро и цитоплазму, заключенную в оболочку (мембрану), от которой отходят ветвящиеся отростки - дендриты (2), осевой отросток, или нервное волокно, - аксон (3), заканчивающийся концевым разветвлением (5), примыкающим к другим клеткам через синаптические контакты, или синапсы (6). От аксона отходят боковые отростки - коллатерали (4), также заканчивающиеся на других клетках. Рисунок ниже - /Схематическое изображение нейрона (нервной клетки)/:

Тело нервной клетки в поперечнике обычно меньше 0,1 мм. Объем крупного нейрона составляет примерно 0,001 мм3. Дендриты имеют диаметр порядка 0,01 мм и длину от долей миллиметра до десятков сантиметров. Длина аксона нервных клеток человека колеблется от долей миллиметра до 1,5 м (при толщине около 0,025 мм). По современным представлениям, в основе функции реального нейрона лежат электрохимические процессы. Его мембрана состоит из четырех мономолекулярных слоев (белок - липоид - липоид - белок) общей толщиной около 10-6 см. Нейрон в состоянии покоя имеет следующие электрические параметры: разность потенциалов 70 мв, удельное сопротивление 0,4 · 1012 ом · см и емкость 1 мкф/см2 (данные измерений между наружными поверхностями мембраны). Нервы в организме играют роль линий связи между рецепторными нервными клетками с чувствительными окончаниями, воспринимающими информацию, скоплениями нейронов, предназначенных для обработки информации, и исполнительными, или эффекторными, клетками, обеспечивающими соответствующие реакции отдельных органов или участков организма. Все эти элементы, воспринимающие, передающие, перерабатывающие и выдающие управляющую информацию, образуют нервную систему. Функция нервной системы основана на процессах возбуждения и торможения. Возбуждение возникает под влиянием электрических, тепловых, химических и механических раздражений и распространяется по нервным волокнам в виде электрических импульсов. Импульс, возникающий в нейроне, распространяется по аксону без затухания и с постоянной скоростью, примерно равной a VD, где а - постоянная величина, a √D - диаметр аксона. Таким образом, чем толще аксон, тем больше скорость распространения импульсов. Эта скорость неодинакова у различных организмов. У человека она не превышает 120 м/сек, у собаки она составляет 83,3 м/сек, у улитки - 0,05 - 0,4 м/сек. Посмотрим теперь, как "работает" нейрон. Он может находиться в двух состояниях: возбуждения и торможения. Различные части нейрона несут разные функции. Дендриты служат входами, по которым к телу клетки подводятся импульсы раздражения, а аксоны - выходами, по которым передается возбуждение на другие клетки. В передаче нервными волокнами возбуждения велика роль синапсов, т. е. мест перехода возбуждения от одной нервной клетки к другой. Синапсы обладают односторонней проводимостью, т. е. возбуждение передается только с окончаний аксона одного нейрона на дендриты и тело клетки другого нейрона (на крупных нейронах насчитывается до 1000 синапсов). Кроме односторонней проводимости синапс характеризуется еще одним интересным свойством: в нем происходит замедление проведения возбуждения, т. е. замедляется передача раздражения. Это называется синаптической задержкой. Прохождение возбуждения через синапс как бы подготавливает почву и облегчает прохождение через него следующего возбуждения. Нейрон имеет множество входов, а выход у него только один. Входной импульс может быть возбуждающим или тормозящим; он может иметь самые различные параметры; выходной же сигнал каждого нейрона представляет собой импульс, амплитуда и длительность которого постоянны. Примечательно, что нейрон срабатывает только при определенном уровне входного воздействия, называемом пороговым. Если раздражение, поступающее на один из входов, ниже, этого уровня, то нейрон продолжает оставаться невозбужденным. Если оно выше этого критического уровня, то нейрон переходит в возбужденное состояние, при котором энергия из тела клетки передается в виде стандартного импульса в аксон. В течение некоторого времени после разряда нейрона входные сигналы не вызывают его возбуждения. Это объясняется резким повышением порогового уровня при генерировании нейроном выходного сигнала. В дальнейшем за время, называемое временем восстановления, пороговый уровень понижается до прежней величины. Состояние нейрона после его срабатывания характеризуется возбудимостью - величиной, обратной пороговому уровню. Кривая зависимости возбудимости нейрона от времени приведена на рис. 2, где по оси абсцисс отложено время, прошедшее после срабатывания нервной клетки, а по оси ординат - величины, обратные пороговому уровню (в процентах от нормального значения). Рисунок ниже - /Кривая зависимости возбудимости нейрона от времени (по Л. И. Крайзмеру)/:

Как видно из графика, следующий разряд нейрона может произойти не ранее, чем через некоторый интервал времени от 0 до t1. Такой интервал, называемый периодом абсолютной рефрактерности, длится от 0,4 до 2 мсек. В течение этого времени пороговой уровень нейрона как бы оказывается равным бесконечности, а возбудимость его равна нулю. Считают, что время пониженной возбудимости нейрона от момента его срабатывания до восстановления нормального порога определяется необходимостью восстановить энергию клетки, затраченную на подготовку и генерирование выходного импульса. После окончания периода полной невосприимчивости происходит постепенное (в течение нескольких десятков миллисекунд) снижение порогового уровня до нормальной величины. Этот период (от момента t1 до t2) носит название периода относительной рефрактерности. За ним следует фаза повышенной возбудимости нейрона (от момента t1 до t3), во время которой он может сработать и при воздействии возбуждения ниже порогового уровня. Наконец, в некоторый момент времени t3 восстанавливается нормальная возбудимость нейрона. Но всем этим динамика нейрона не исчерпывается. Раздражения, уровни которых недостаточны для возбуждения, но действующие на несколько входов одновременно, суммируются и возбуждают нейрон - это так называемое пространственное суммирование. Раздражения с уровнями ниже порога, но следующие одно за другим через короткие промежутки времени, тоже суммируются и возбуждают нейрон. Здесь происходит последовательное суммирование, или суммирование во времени. В механизме возбуждения нейрона часто имеют место одновременно оба процесса - суммирование раздражений как в пространстве, так и во времени. При этом роль предыдущих импульсов возбуждения становится тем меньше, чем больше времени прошло после их появления. Происходит как бы затухание их следов, которое подчиняется экспоненциальному закону. Как отмечалось выше, импульсы раздражения могут быть возбуждающими или тормозящими и они могут поступать на разные входы нейрона одновременно. Если их алгебраическая сумма превышает пороговый уровень, то нейрон возбуждается и выдает импульс. Все эти сведения об устройстве и функциях нейрона были собраны нейрофизиологами путем экспериментов, которые трудно назвать даже ювелирными - они значительно тоньше. Исследования электрической стороны деятельности нейронов, которая так интересует инженеров, проводились с помощью микроэлектродов. О них мы рассказывали в беседе "Зрячие машины". Ученым удалось просмотреть на осциллографе все электрические процессы, происходящие в живых нервных клетках, проанализировать связи, существующие между ними, записать электрические "голоса" работающих нейронов на магнитофонную ленту и т. д. Инженеры интерпретировали всю информацию, полученную от нейрофизиологов, таким образом: нейрон с его способностью находиться только в двух состояниях - возбуждения и торможения - представляет собой (упрощенно) биологический вариант двухпозиционного реле - электронного или любого другого. Функционирование нервной системы определяется числом и характером связей между нейронами, а также видом сигналов, поступающих на вход нервных клеток. Все это в совокупности приводит к мысли, что нервную систему можно рассматривать в некотором роде как весьма сложную, высокосовершенную вычислительную машину, имеющую множество чрезвычайно важных преимуществ перед самыми сложными современными системами управления, перед новейшими кибернетическими автоматами. Так, нынешние кибернетические устройства еще очень далеки от человека в своих "способностях" воспринимать информацию в виде рукописного или печатного текста, в виде чертежей, речи, движущихся изображений и т. п. Большинство современных кибернетических систем, как известно, работает по жестким, заранее заданным программам. Нервной же системе свойственны высокая степень самоорганизации, быстрое приспособление к новым ситуациям, к изменению программ своей деятельности и т. д. А если перейти к процессам мышления, памяти, сознания, то перечень "преимуществ" мозга можно значительно расширить; однако и так достаточно ясно, что технике есть чему поучиться у живой природы. И именно поэтому творцы вычислительной техники с таким упорством и настойчивостью ищут новые пути конструирования вычислительных устройств в аналогиях с работой нервной системы живых существ. При разработке технической модели нейрона, принимается во внимание следующее: 1). Модель нейрона должна иметь два возможных состояния, соответствующих возбужденному и заторможенному состояниям. 2). Схема модели должна иметь множество входов, на которые в различные моменты времени могут поступать сигналы. 3). На входных участках, контактах, или "клеммах", нейрона должна осуществляться задержка сигнала, аналогичная синаптической. 4). Реакция модели на входное воздействие должна зависеть от входа, к которому оно прикладывается. 5). Результирующее воздействие на тело нейрона определяется суммой воздействий от всех входов (пространственное суммирование) и предысторией, т. е. суммой предшествующих воздействий с учетом затухания их по экспоненциальному закону с некоторой постоянной времени (суммирование во времени). 6). Срабатывание (возбуждение) модели нейрона должно происходить лишь в том случае, если результирующее воздействие поступающих (возбуждающих и тормозящих) сигналов превысит пороговый уровень. 7). При срабатывании модели нейрона на выходе должен появляться стандартный сигнал. Это, так сказать, исходные данные, которые можно рассматривать как техническое задание на проектирование искусственного нейрона. Однако к техническому моделированию нейрона может быть два подхода, и оба они реально существуют сегодня. Ученые, принадлежащие к одной школе, стремятся создать модели нервных клеток, воспроизводящие по возможности наиболее точно их биологические функции. Цель их работы состоит во всестороннем изучении возможных функций нейронов, связанных с обработкой информации, и еще более глубоком уяснении действия биологических систем. Примером модели, сконструированной по этому принципу, может служить нейромим американского инженера Хармона. В его модели возбуждающие входы и один тормозящий связаны в интегрирующую цепь с пространственно-временным суммированием с постоянной т, равной 0,46 - 1,2 мсек (в зависимости от конфигурации возбуждений входных цепей). При возбуждении нейрона создается импульс в соответствии с принципом "все или ничего". Во время формирования импульса и в течение еще примерно 1 мсек порог возрастает и элемент находится в фазе абсолютной рефрактерности; далее следует фаза относительной рефрактерности, в течение которой пороговый уровень спадает по экспоненте до нормального своего значения. Синаптическая задержка в модели Хармона, равная 0,1 - 1 мсек, определяется частотой возбуждения. Синаптический переход и процесс суммации моделируются соответствующими цепями RC. Выбранные здесь параметры хорошо отражают временные характеристики двигательного нейрона. Рисунок ниже -/Принципиальная электрическая схема искусственного нейрона, разработанная в Институте кибернетики АН УССР/ :

На рисунке приведена принципиальная электрическая схема искусственного нейрона, разработанная в Институте кибернетики АН УССР и предназначенная для использования в нейронных сетях. Здесь также осуществляется пространственное и временное суммирование, имеются периоды абсолютной и относительной рефрактерное. Отдельный вход торможения отсутствует, а на базу транзистора Т1 через сопротивления R1 R2, ..., Rn подаются положительные импульсы, которые алгебраически складываются с импульсами возбуждения. Когда напряжение на емкости С1, обусловленное входными сигналами, достигает уровня, равного или превышающего пороговый (Uc1 ≥ 0порог), транзистор Т1 открывается и релаксатор, собранный на Т2, Т3 по схеме Муди-Флорида, вырабатывает отрицательный импульс. Эмиттерный повторитель Т5 подает его на выход возбуждения. Инвертор Т6 и повторитель T7 формируют тормозящий сигнал. Применение эмиттерных повторителей обеспечивает большой коэффициент логического разветвления схемы. Амплитуда, длительность и крутизна выходных импульсов модели нейрона постоянны и не зависят от частоты и амплитуды входных импульсов. При необходимости все эти параметры можно изменить. При втором, бионическом, подходе, преследующем цель создания высокосовершенных кибернетических устройств, ученые стремятся строить модели, способные воспроизводить гибкие логические функции нейрона и применимые в устройствах технической кибернетики. Эти модели, естественно, должны быть лишены ряда "недостатков", присущих (с инженерной точки зрения) живым нервным клеткам. Так, например, моделирование такого явления, как пониженная возбудимость в течение относительно длительного периода, необходимого для отдыха и пополнения запаса энергии, израсходованного при возбуждении нейрона, может сказаться на быстродействии кибернетического устройства, что в ряде случаев крайне нежелательно. Рисунок ниже -/Обобщенная блок-схема искусственного нейрона/:

Абстрагируясь от физиологических особенностей и используя только "логику" нейронов, ученые за последние годы создали ряд формальных моделей нервной клетки, для которых характерны, например, следующие признаки: активность нейрона, т. е. его способность генерировать выходной сигнал, подчиняется принципу "все или ничего", "да - нет", "нуль - единица"; возбуждению нейрона предшествует некоторый период накопления сигналов возбуждения от ограниченного числа входов (синапсов). Это время не зависит от предыдущего состояния нейрона (рефрактерность не моделируется), число сигналов и порог не зависят от расположения синапсов в нейроне; запаздывание в схеме происходит только в синапсах. Обобщенная блок-схема такой модели показана на рисунке выше. Как видно из рисунка, входные воздействия поступают на сумматор, где происходит их пространственное суммирование. Линия задержки имитирует замедление сигнала на синапсах и осуществляет временное суммирование. Вентиль пропускает обработанный предыдущими каскадами сигнал на пороговое устройство, срабатывающее только при достижении сигнала на его входе определенного уровня. Передача возбуждения через вентиль в обратном направлении невозможна. Рисунок ниже - /Принципиальная электрическая схема модели нейрона/:

На рисунке выше приведена электрическая схема модели нейрона, выполненная на транзисторах. Суммирование входных воздействий осуществляется резисторами R1. Изменяя их величину, можно менять степень влияния данного входа на состояние "нейрона". Совместно с С1 они выполняют и функцию задержки. В качестве порогового элемента здесь применен ждущий мультивибратор, собранный на транзисторах Т2 и Т3 В устойчивом состоянии Т3 открыт и потенциал на его коллекторе примерно равен нулю, вследствие чего Т2 закрыт. Дополнительное запирающее смещение, снимаемое с резистора R8, определяет порог срабатывания мультивибратора. Сигнал на мультивибратор подается через эмиттерный повторитель, который обеспечивает одностороннюю передачу и выполняет роль вентиля с одновременным усилением результирующего возбуждения. При достижении порогового уровня возбуждения схема переходит в состояние квазиравновесия, при котором напряжение на коллекторе Т2 быстро падает до нуля. Длительность пребывания в этом состоянии определяется емкостью конденсатора С3 и сопротивлением резистора R4. Через время t ≈ 3R4C3 сек происходит опрокидывание схемы. При этом на выходе возбуждения формируется положительный , а на выходе торможения - отрицательный импульсы длительностью t. Рисунок ниже -/Блок-схема артрона/:

На вход этой модели подаются с различными интервалами импульсы определенной амплитуды с длительностью 1 мсек. На выходе схемы при ее срабатывании получается импульс длительностью 1 мсек и амплитудой 15 в. Максимальная частота срабатывания модели - 500 гц. Эта схема хорошо воспроизводит основные характеристики биологического нейрона, но не способна к адаптации, т. е. к изменению характера работы при изменении окружающих условий. Этого недостатка лишены аналоги нейронов, получившие название артронов. Они отличаются наличием цепи обратной связи и двух дополнительных входов - "наказывающего" и "поощряющего". Схематически это показано на рис. 6. Внешние условия преобразуются чувствительными элементами в раздражения, которые подаются на входы искусственного нейрона. Информация поступает и от соседних нейронов. Поскольку "необученная" модель нейрона совершенно не знает, как вести себя при определенных внешних условиях и сигналах от соседей, ее выходной сигнал при поступлении первого раздражения имеет чисто случайный характер. Но за свои действия искусственному нейрону все же придется отвечать без скидки на младенческий возраст! Выходной импульс, поступающий на другие нейроны, одновременно подается на схему проверки. Если реакция нейрона на раздражение была правильной, то эта схема выдает импульс на поощряющий вход, если же он ошибся, то немедленно на другой вход приходит импульс наказания. Действия, подкрепленные поощряющим сигналом, запоминаются нейроном, и в другой раз при аналогичных условиях он будет выполнять именно их. Если же со схемы проверки поступает наказание, то в следующий раз при таком же возбуждении нейрон сработает по-другому и, возможно, опять будет наказан. Это будет происходить до тех пор, пока не будет найдена "правильная линия поведения", т. е. пока не поступит поощряющий импульс. Для ясности заметим, что в этом случае нейроны не являются теми первичными образованиями, которые могут принимать только два состояния - "да" или "нет", а представляют некоторую их комбинацию, способную принимать большее число состояний. Таким образом, состояние рассмотренной схемы зависит от внешней среды. Из артронов можно создать машину, способную к обучению. В начальный момент она, как и сами артроны, не специализирована. Обучение машины происходит с помощью поощряющих и наказывающих импульсов. Во время обучения машины определяются ее задачи, устанавливается критерий адаптации к широко изменяющимся внешним условиям. Цепь обратной связи в процессе обучения "учитывает" ошибки. На основе поощрения или наказания произведенной логической операции устанавливается такой режим работы, который способствует закреплению или подавлению этой операции. Узнаете? Речь идет о перцептроне. Адаптивные элементы перцептрона и есть артрон, а "правильные" связи между ними и эффекторами - это совокупность логических операций, которые не подавляются. Так в результате "обучения" нейроны становятся специализированными, а вся система - организованной. Изменение внешних условий вызывает переход на другие логические операции - внешние условия программируют машину! Рисунок ниже -/Нейристор с распределенными параметрами/:

Разработано также несколько вариантов бионических элементов - нейристоров, представляющих собой активные приборы с распределенными параметрами. Один из возможных вариантов такого устройства показан на рисунке выше.  Оно представляет собой две изолированные полоски, образующие плоский конденсатор. Одна из обкладок этого конденсатора выполнена из термисторного материала, электрические свойства которого зависят от температуры. Нейристор питается током, который создает равномерный потенциал по всей длине прибора. При подаче возбуждения на определенный участок нейристора он переходит в активное состояние и освобождает энергию, накопленную распределенной емкостью на этом же участке. В результате происходит местный разогрев термистора, что вызывает возбуждение соседнего участка канала. В итоге образуется бегущая волна раздражения, распространяющаяся с постоянной скоростью, подобно тому как это происходит в аксоне - разряд распространяется с постоянной скоростью и без затухания. Прежде чем разряженный участок снова сможет перейти в активное состояние, в нем должно произойти накопление энергии (зарядка конденсатора); иными словами, наступает период восстановления, соответствующий периоду рефрактерности нервного волокна. "Это свойство, - как отмечает академик В. В. Парин, - еще более усиливает сходство нейристора с нервным волокном - две волны, идущие навстречу друг другу, угасают".