109. Что такое кибернетика и как она позволяет понять работу нашего мозга?

Чтобы сбить вражеский самолёт, солдат времён Второй мировой войны должен был руководствоваться простым правилом. Следовало бить немного впереди от намеченной цели, на опережение. В противном случае самолёт просто изменит местоположение и выпущенный снаряд неминуемо опоздает на запланированную встречу. Простым это правило может показаться лишь на первый взгляд, потому что точную величину отклонения было необходимо высчитать на основании ряда переменных. Требовалось учесть предшествующую траекторию движения самолёта, его скорость, направление и набранную высоту. Хорошо было не забывать и про возможность манёвра уклонения. Наконец, всё это нужно сделать очень быстро.

Многие военные, учёные и инженеры той эпохи ломали головы, как повысить точность зенитного огня. Математик Норберт Винер, однако, зашёл значительно дальше. Он понял, что весь описанный процесс можно довольно просто автоматизировать и со временем это позволит практически полностью исключить человеческий элемент из противовоздушной обороны. Первым делом зенитную установку требовалось объединить с радаром и простым аналоговым компьютером. Это устройство должно было принимать данные с радара о местоположении самолёта, его скорости и траектории. Затем на основании математических уравнений, специально созданных Винером, оно должно было сделать предсказание о том, где самолёт будет находиться дальше. Тогда прикреплённые к зенитке моторы начинали автоматически наводить прицел и давали сигнал к выстрелу.

Работа группы Винера над созданием высоко автоматизированных зенитных орудий началась сразу после вступления США во Вторую мировую войну. Хотя их творение не успело дойти до стадии производства, у идей Винера появилось куда более судьбоносное и масштабное продолжение. Кропотливые размышления над процессом принятия решений зенитным орудием заставили Винера задуматься о том, как вообще информация циркулирует в мире вокруг нас. Как решения принимают одноклеточные организмы, нервные системы сложных животных и сами люди?

Он обнаружил, что повсюду в природе имеются саморегулирующиеся информационные системы. Они получают информацию из внешней среды, обрабатывают её, на этой основе производят свою собственную информацию и выдают поведенческую реакцию. Так должна была вести себя разрабатываемая Норбертом Винером военная машина. Именно такой системой был и он сам, а также деревья за окном, бегущая по улице собака и даже микробы на кончиках его пальцев.

В тёмном жерле зенитной установки учёный разглядел нечто поразительное – то, что он никак не ожидал там увидеть. Это были готовые контуры прекрасной науки будущего, на которой сегодня основаны все компьютерные технологии и самые передовые разработки человечества от искусственного интеллекта до мозговых имплантов. Это было моментом рождения кибернетики, и её фактическим отцом-основателем стал Норберт Винер. В 1948 г. это слово впервые публично прозвучало в его монументальном труде под названием: «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине».

Разумеется, Винер не мог создать целую научную область один. Тысячи и тысячи светлых умов до него, одновременно с ним и после него приносили плоды собственных трудов на эту великую стройку. Кто-то подтаскивал лишь пару кирпичей, а иные сгружали целые телеги и принимались ваять. Ко второй группе принадлежал американский математик Клод Шеннон, чьи лавры сияют не менее ярко, чем у Винера.

В 1948 г. (столь урожайном для кибернетики) Клод Шеннон стал первым, кто употребил слово «бит» для обозначения минимальной единицы информации. Подобно Виннеру, он активно участвовал в разработке алгоритмов для автоматизации оружия, а также в создании систем шифрования данных для ведения секретных переговоров между президентом Рузвельтом и Черчиллем во время военных действий. Как и Винер, он сразу же понял, что эти узкие военные задачи неожиданно для всех распахнули окно во что-то несоизмеримо большее. Большее не только, чем изготовление тех или иных устройств, а чем сам человеческий вид. Шеннон создал фундамент современной теории информации и теории связи, и его работа сплелась с винеровской кибернетикой в единое целое.

Но чем же всё-таки занимается кибернетика? Наша культура ассоциирует и её саму, и приставку кибер- с компьютерами и роботами. На ум приходят фантастические фильмы и сцены из стремительно приближающегося будущего. Сами Винер и Шеннон, как и другие основоположники этой науки, однако, придерживались совсем иного понимания. В поисках вдохновения они смотрели скорее назад и перед собой, нежели вперёд. Проносящийся в их головах ассоциативный ряд был связан с чередой бесконечно сложных живых организмов и нервных клеток. Прототипы своих устройств они искали там, в царстве жизни и в принципах, управляющих человеческим мозгом. Рукотворные аппараты воспринимались ими всего лишь блеклыми подобиями той тонкой информационной механики, что управляет миром вокруг нас и в особенности нашим собственным умом.

Следовательно, кибернетика возникла как наука, занимающаяся исследованием и созданием саморегулирующийся информационных систем вообще, а никоим образом не одних лишь механических устройств. Вспомним название самого первого труда по кибернетике за авторством Винера: «Кибернетика, или управление и связь в животном и машине». Учёный поместил «животное» перед «машиной» вовсе не случайно, ведь он являлся не только блестящим математиком, но и биологом. Увлечение Винера биологией являлось настолько сильным, что его первая диссертация была посвящена генетике, а не математике. Точно также Клод Шеннон провёл первую половину жизни в страстном изучении биологии, а с особенным вниманием он относился к устройству нервной системы.

Отцы кибернетики, таким образом, занимались машинами, строили зенитные орудия и конструировали системы шифрования связи. При всём при этом свою работу они основывали на собственном понимании процессов обмена информацией в живых организмах. Они также сознавали, что хотя мир полон саморегулирующихся информационных систем, сложнейшая из них есть наш мозг. Это значит, что на основе изучения человеческой нервной системы и человеческого же сознания возможно добиться подлинного рывка в технологиях и в повышении качества жизни.

Мозг настолько сложен, что в сравнении с ним любые механизмы кажутся примитивными. И всё же к нему применим тот же самый набор центральных принципов кибернетики, подобно тому как гравитация управляет и яблоком, и Солнцем, и галактикой. Фундаментальные понятия кибернетики и затем нейробиологии, принявшей от неё эстафету, подобны ключам, отпирающим многие двери. Инженерам они помогают строить новые кибернетические системы, создавать компьютеры и писать нейросети для них. Наша же задача во многом противоположна.

Мы стремимся не столько создавать всё новые и новые кибернетические системы, сколько научиться пользоваться своей собственной. Для управления процессом внутренних перемен нам не нужны никакие иные компьютеры помимо, что уже есть на борту. Кроме того, способных в этом помочь компьютеров пока что не существует и даже не предвидится в сколь-нибудь обозримом будущем. Это значит, что мы будем использовать богатство возможностей нейропластичности, заложенное в нашем уме.

Принцип обратной связи

Ни от одного внимательного наблюдателя жизни не укроется, что человеческим младенцам свойственно не только хаотически двигать ручками и ножками, стрелять взглядами и плакать. Ничуть не меньше они любят хихикать, ворковать и издавать чрезвычайно умилительные, но нечленораздельные звуки, известные как лепет. Мало кто, впрочем, знает, для чего они это делают. Как оказалось, за фасадом полнейшей невинности скрывается холодный кибернетический расчёт, и это осознание пробирает до дрожи.

Как сегодня известно, каждая клетка мозга содержит в себе длинный генетический чертёж, зашифрованный в переплетениях ДНК. Тем не менее наши гены есть лишь общие контуры и штрихи. Это примерные наброски будущей картины. Согласно законам восходящей науки эпигенетики, само течение жизни должно закончить её, наполнить красками и оттенками, а подчас даже внести существенные изменения в оригинальный план.

Человек, следовательно, не рождается с умением говорить. Он рождается лишь с возможностью этому научиться и набором несложных поведенческих алгоритмов, как этот процесс запустить. Для этого мозг младенца замыкает в постоянно работающую цепь два ключевых потока данных – данные от органов речи и от органов слуха.

Задача органов речи постоянно что-то мямлить и лепетать, причем совершенно произвольно, наобум, как сердце прикажет. Дитя человеческое пробует по-разному складывать губы, напрягать голосовые связки, двигать языком, управлять потоками воздуха. В общем, младенец экспериментирует. Задача органов слуха (и соответствующих зон мозга) бдительно наблюдать за ходом эксперимента и регистрировать его результаты.

Каждый акт лепетания анализируется юной нервной системой и сверяется ей с теми звуками, которые издают родители ребёнка и его непосредственное окружение. Если произнесённые звуки оказались ближе к ним, чем у младенца получалось до того, на них ставится штамп хорошего качества. Мозг подкрепляет это маленькое достижение небольшим зарядом положительных эмоций. Так происходит обучение. Речевые зоны (в данном случае зона Брока в мозге и некоторые другие моторные области) запоминают, какие конкретно мышечные сокращения и в какой последовательности привели к результату, похожему на целевой.

Младенец слушает, что говорят взрослые, после чего случайным образом лепечет что-то сам. Затем он слушает свой лепет, затем меняет свой лепет и запоминает тот его вариант, что отличается в сторону большего сходства со взрослой речью. Так продолжается день за днём, месяц за месяцем, год за годом, пока не будут произнесены первые слова и в конце концов он не овладеет речью на должном уровне.

Аналогичным образом проходит курс подготовки будущего пользователя тела. Случайные мышечные сокращения ручек, ножек и всех прочих частей тела непрерывно сравниваются с их результатами. Тогда мозг запоминает, что набор сокращений А ведёт к движению А1, а набор сокращений Б приводит к движению Б1. Со временем становится достаточно бессознательно представить, какое движение необходимо, чтобы нервная система отдала телу нужное распоряжение. Мозг уже знает, какие сокращения, в какой последовательности и с какой силой требуются для достижения подобного результата.

Процесс самонастройки, который позволяет младенцу научиться двигаться и говорить, а также замыкает его различные способности в информационное кольцо, основан на механизме обратной связи. Это главное понятие всей кибернетики, самая суть работы кибернетической системы, провозглашенная в таковом качестве ещё Норбертом Винером и Клодом Шенноном. Если попробовать дать ей простое определение, то обратная связь – это когда получаемая нами информация о результатах собственных действий меняет наши последующие действия. Кибернетическая система производит реакцию и незамедлительно получает информацию о её итогах, то есть получает обратную связь от мира. На основе обратной связи она и меняет собственное поведение. Так младенческий мозг лепечет, слушает себя, а затем лепечет лучше.

Ум есть саморегулирующаяся система. Саморегуляция же происходит за счёт того, что сигнал на выходе из системы становится сигналом на входе и меняет следующий сигнал на выходе. Человеческая способность меняться, любое обучение и развитие основаны на постоянно работающих информационных кольцах, на механизме обратной связи. Казалось бы, всё так ловко устроено. Почему же тогда мы столь часто наблюдаем ошибки и сбои, как в работе своего мозга, так и в работе любого устройства? Чтобы лучше объяснить это, кибернетика вводит ещё два фундаментальных понятия. В их исследовании мы прибегнем к помощи очередной иллюстрации и к могуществу собственного воображения.

Шум и сигнал

Долгое нахождение в людской толпе крайне утомляет. Людская масса обволакивает вас, затем сжимает, затем снова отпускает, затем снова сжимает. Всё вокруг пихается, гудит, кричит и сотрясается в непрерывном броуновском движении. Особенно тяжело приходится, если вы потерялись и вам срочно требуется найти в этом столпотворении вполне определённого человека. Вы принимаетесь продираться через густую человеческую среду и отчаянно пробуете выхватить в ней знакомое лицо и услышать знакомый голос.

Со всех сторон на мозг обрушивается мельтешение телесных ощущений, звуков, запахов, форм и красок – всё, что угодно, только не то, что вы ищете. Вы видите лицо, но не то; вы слышите окрик, но не тот; вас трогают за плечо, но это лишь очередная случайность. Ум получает море информации, но не той. В кибернетике такая информация называется шум.

На входе в нашу нервную систему шум представляет собой информацию, обладающую крайне низкой полезностью или же вредящую нашим интересам. С одной стороны, это может объясняться тем, что она просто не была вами должным образом понята и не была дешифрована. К примеру, вы увидели того самого человека и до ваших ушей долетел его радостный окрик, но вы не распознали его и прошли мимо. Для вас это был всего лишь шум.

С другой стороны, шумом может быть и информация, которая в целом кажется вам весьма полезной, но только не в данных обстоятельствах жизни. Допустим, вы являетесь увлечённым шахматистом и ещё недавно горели желанием узнать, как прошёл вчерашний шахматный турнир. Сейчас, впрочем, это сошло с повестки дня. Вам звонит товарищ и хочет рассказать всё в мельчайших подробностях, но вы вежливо обрываете его и спешите откланяться. «Не сейчас», – говорите вы. Пока что эти любопытные сведения есть лишь шум, отвлекающий вас от поисков. Шум стягивает на себя энергию, необходимую для чего-то другого, или же толкает на ошибочные решения. За счёт этого он и причиняет вред.

Понятие шума неизбежно предполагает собственную противоположность – сигнал. Сигналом в кибернетике называют полезную информацию в тех же самых смыслах, в каковых шум является малополезной или вредной. Это то, что помогает нам реализовать свои потребности и интересы, выполнять поставленные задачи.

Различие между шумом и сигналом является расплывчатым и подвижным, то есть относительным. Если вы оказались в толпе, чтобы наблюдать за её кипучей жизнью, тогда всё вокруг является для вас сигналом. Если же вы ищете там определённого человека, всё это становится шумом.

Пластичность многих фундаментальных понятий, однако, никоим образом не есть их изъян. Они всего лишь отражают динамическую сущность жизни. Реальность подвижна и относительна, потому понятия, отражающие её ключевые свойства, должны обладать схожей природой. Шум и сигнал есть строгие научные термины, но они не являются чётко определимыми раз и навсегда, потому что мир не может быть загнан в тесную и жёсткую понятийную клетку.

Фундаментальной задачей кибернетики и всякой живой или неживой кибернетической системы является отделение шума от сигнала и преобразование шума в сигнал. Наш ум, потерявшийся в толпе, как и датчик GPS в мобильном телефоне должны уметь понимать, что говорит им мир и отсеивать важное от неважного.

Происхождение шума и сигнала

После долгих поисков, которые уже начали казаться тщетными, мы обнаруживаем в людской толчее потерянного товарища. В порыве восторга мы подаём ему знаки руками, подпрыгиваем и оживлённо машем. Увы, он стоит слишком далеко и не может нас увидеть. Мы принимаемся кричать, но голос выходит тихим и хриплым; он тонет в общей многоголосице. Всё оказывается бестолку. Мы производим информацию, предпринимаем действия, но они не приносят желаемого эффекта. А значит, мы производим шум – бесполезные для нас самих же возмущения во внешней и внутренней среде организма.

Различие между шумом и сигналом, следовательно, присутствует и на выходе из кибернетической системы. Мы и сами в состоянии производить полезные, бесполезные и вредоносные информационные импульсы, а они в свою очередь порождают соответствующие поступки.

Более того, как уже подчеркивалось, будет ли полученная нами на входе информация шумом или сигналом, зависит от наших собственных действий. Всё сводится к тому, что происходит внутри мозга. Так, если нам объяснили нечто важное, но мы этого не услышали или беспечно отмахнулись, для нас это было всего лишь шумом. Но оно могло бы быть сигналом, чем-то крайне ценным и важным, если бы ум лучше справлялся со своими обязанностями по дешифровке языка реальности.

Шум и сигнал возникают внутри кибернетической системы лишь после попадания туда информации. Сама информация не является ни тем, ни другим. Различие между шумом и сигналом рождается лишь внутри кибернетической системы, например, в получивших информацию нервных клетках или микросхемах, после того как они её обработали. Мы наделяем информацию тем или иным смыслом и либо находим ей применение и тогда она является сигналом, либо нет – и тогда это просто шум. Лучше всего это можно понять на ещё одном примере.

Блуждая в своих затянувшихся поисках по взбудораженной толпе, мы услышали очередной залп человеческих воплей. С физической точки зрения, это была просто совокупность звуковых волн, стремительная череда крошечных сжатий и расширений воздушной среды. Когда эти колебания воздуха добежали до нервных клеток во внутреннем ухе, те преобразовали информацию в электрохимические импульсы. Она была расшифрована как звук определённой громкости и длины волны.

Затем за дело принялись центры потребностей и эмоций. Они наклеили на них ярлычок «опасно» и «неприятно». Только тогда наш мозг и затопило волной шума. Мы испытали раздражение, мы испугались и отвлеклись, наша походка стала неуверенной – и мы запнулись. На входе мозг получил мизерную информационную каплю. Как только она попала в уши, мозг раздул её до огромной шумовой волны, захлестнувшей обширные части мозга от слуховых центров до эмоциональных и поведенческих.

Словом, информация преумножилась и стала чем-то отвлекающим. Она стала шумом лишь внутри ума, на выходе из обработавших информацию нервных клеток. Нервная система могла бы и не позволять капле стать волной, а лишь принять к сведению череду криков и тут же переключиться. Тогда это был бы сигнал. Мы бы отдали себе ясный отчёт в происходящем и немного иначе проложили курс движения по людской толчее, но не отвлеклись бы, не почувствовали бы раздражения. Эта информация была бы сигналом, если бы мы использовали её для формирования нашего представления о среде. Но она в добавление к этому породила множество бесполезных нервных импульсов, которые и образовали шум.

Таким образом, основной массив информации, циркулирующей в нашем мозге, порождается им самим. Извне в нас просачиваются лишь крупицы. Придя в соприкосновение с нервной системой, эти крохи запускают миллионы цепных реакций и пропускаются через сложные этапы обработки. Так, фотоны света падают на сетчатку нашего глаза и рождают в её светочувствительных клетках электрический импульс. Он приводит к высвобождению в нервных клетках химических веществ – нейромедиаторов. Они как ключ в замок входят в рецепторы следующих нейронов, и это запускает в них такой же каскад реакций, а затем снова и снова, и снова. Из капли выросла целая волна.

Из этого имеется важный практический вывод и для инженера, и для биолога, и для любого человека вообще. Пропорция между шумом и сигналом зависит не от милости окружающего мира, а от самой кибернетической системы. Она определяется тем, насколько хорошо устроен наш ум или та или иная создаваемая нами машина. Если ум пребывает в равновесии, нахождение в толпе не лишает его спокойствия, не вызывает возмущения, не сбивает с курса. Толпа несёт с собой лишь сигналы о том, что происходит вокруг. Её звуки рисуют для нас карту местности и не отвлекают от поисков, а помогают в них.

Сходным образом хорошо сконструированная зенитная установка воспринимает помехи на радарах именно как сигнал о наличии помех, а не знак, что пора открывать огонь. Помехи на радаре становятся сигналом, а не шумом, если они не мешают эффективной работе, а вместо того помогают лучше разобраться с состоянием окружающей среды.

Следовательно, у нас всегда имеется возможность преобразовать хаос в порядок, а шум в сигнал. Для этого требуется изменить не мир, а сами свойства кибернетической системы, которая с ним взаимодействует.

Как и почему «шумит» мозг

С точки зрения науки, весь мир является переплетением информационных потоков. Каждая его частичка внемлет голосам окружающей реальности, а затем в силу своих особенностей реагирует на то, что она услышала. От атома, камня и микрочипа до нервной клетки и человека всё взаимодействует с реальностью вокруг и непрерывно получает извне информацию и энергию. В ответ на это они сами производят информацию и энергию в виде разнообразных реакций на получаемые стимулы.

В отличие от явлений неживой природы, живое существо самым очевидным для наблюдателя образом цепляется за существование и стремится продолжить себя вовне. А это значит, что производимые им реакции…

Источник: m.vk.com

Комментарии: