Рефлексы
Рефлексы
Ранее мы говорили о том, как организованы простейшие нейронные сети. Так, у гидры одни ветви нервной сети направляются к рецепторным клеткам, а другие — к сократимым. Такая организация связей позволяет реализовать простейший алгоритм поведения — реакцию на изменение окружающей среды: рецептор среагировал на определенное раздражение — сократилась мышца. Так природа «научила» живые существа реагировать на многие вводные: изменение температуры, освещенности, химического состава среды, внезапное прикосновение и многое другое.
Эволюция нейронных сетей долгое время шла по пути создания новых поведенческих правил (алгоритмов). Для многих живых организмов набор таких правил полностью определяет все поведение. Иногда такое поведение кажется со стороны необъяснимо сложным, однако при детальном рассмотрении всегда находится достаточно простой механизм, объясняющий это поведение.
Чтобы сохранить пищу на зиму и закрыть вход в свою нору, дождевой червь очень часто втаскивает в нору листья, которые там остаются и которыми червь может питаться в течение довольно длительного времени. Исследователи обратили внимание на удивительный факт: втаскивая в нору лист, червь всегда «берет» его за передний конец. Получается, из всех возможных способов введения листа в узкое отверстие норы он выбирает наиболее целесообразный.
Может показаться, что червь различает форму листа и использует его острый конец, позволяющий ему провести нужную операцию самым экономичным путем.
Исследования такого поведения привели к предположению, что червь реагирует на химические соединения, находящиеся в острой части листа.
Чтобы проверить его, была проведена серия остроумных опытов (она принадлежит исследователю Мангольду). Исследователь взял палочки одинаковой толщины и смазал у каждой один конец эмульсией, полученной из верхней (острой) части листа, а другой — эмульсией, полученной из нижней (тупой) части. Оказалось, что червь брал эти палочки всегда за тот конец, который был смазан эмульсией из острой части листа (Лурия, 2007).
Вообще надо отметить, что огромную роль в работе таких алгоритмов играет способность рецепторов нейронных сетей реагировать на наличие тех или иных химических веществ (воспринимать запахи). Наблюдая со стороны за сложным поведением насекомых, да и высших животных, мы обычно просто не «видим» тех химических меток, которые запускают алгоритмы их поведения.
Такие алгоритмы поведения называются рефлексами.
Рефлексы (от лат. reflexus — «повернутый назад», «отраженный»),— реакции организма, вызываемые центральной нервной системой при раздражении рецепторов агентами внутренней или внешней среды (Киселев, 1970).
Рефлексы, генетически предопределенные и присутствующие с момента рождения, называются безусловными рефлексами. Далее в этой главе, говоря о рефлексах, мы будем иметь в виду безусловные рефлексы.
Поведение новорожденного ребенка определяется безусловными рефлексами. Они помогают ему выжить.
Попробуйте провести по ладошке малыша пальцем. Тут же сработает хватательный рефлекс, и ваш палец будет цепко схвачен. Рефлекс этот достался нам от шерстистых сородичей-приматов, ведь от того, насколько крепко детеныш обезьяны держится за мать во время ее перепрыгивания с ветки на ветку, напрямую зависит его жизнь.
Если коснуться щеки или уголка рта малыша, сработает поисковый рефлекс — ребенок тут же повернет голову в сторону раздражения и откроет рот. Таким образом он ищет материнскую грудь. А как только грудь найдется, сразу сработает сосательный рефлекс — новорожденный крепко захватит сосок и начнет усиленно сосать.
Пожалуй, самая большая группа безусловных рефлексов — это защитные, или оборонительные. И основной представитель этой группы — так называемый ноцицептивный флексорный рефлекс. Этим труднопроизносимым словосочетанием обозначается отдергивание руки или ноги от любого болевого раздражителя — будь то острый, горячий, холодный или чем-то еще неприятный предмет.
«Засвербило» в носу, и мы тут же чихнули — это чихательный рефлекс не пустил в легкие потенциальный «загрязнитель». Попала в глаз соринка — на страже мигательный рефлекс: частые движения веками, обильное смачивание конъюнктивы слезой устраняют с поверхности глаза потенциальную опасность. За спиной что-то грохнуло — человек присел, закрыл голову руками, постарался вжаться в складки местности. Это тоже защитный рефлекс. А если оказалась недоброкачественной пища — спасет рвотный рефлекс.
Классический «медицинский» рефлекс — коленный. Его биологическое значение скрыто в глубине веков, но диагностическая ценность несомненна. Это один из так называемых сухожильных рефлексов — сокращение мышц в ответ на раздражение соответствующих сухожилий. Сходная реакция возникает при ударе неврологическим молоточком по сухожилиям бицепса и трицепса, а также по ахиллову сухожилию.
В зависимости от того, какие рефлексы вызываются свободно, а какие заторможены или вообще отсутствуют, невропатологи могут достаточно точно определить уровень поражения нервной системы (Варначева, 2008).
На рис. 11 показано, как выглядит нейронная конструкция, отвечающая за реализацию рефлекса (рефлекторная дуга).
Рисунок 11. Схема рефлекторной дуги
Путь импульса показан стрелочками: 1 - вставочный нейрон; 2 - дендрит; 3 - тело нейрона; 4 - аксон; 5 - синапс между чувствительным и вставочным нейронами; 6 - аксон чувствительного нейрона; 7 - тело чувствительного нейрона; 8 - дендрит чувствительного нейрона; 9 - аксон двигательного нейрона; 10 - тело двигательного нейрона; 11 - синапс между вставочными и двигательными нейронами; 12 - рецептор в коже; 13 - мышца.
Спинной мозг, древний мозг — это те органы, где располагаются нейроны, отвечающие за безусловные рефлексы. Связи между нейронами там генетически предопределены. Собственно говоря, набор этих связей и формирует всю картину рефлекторной активности.
Если вспомнить эволюционную теорию, то несложно понять, как формируются новые рефлексы. На рис. 12 показаны нейроны или группы нейронов и связи между ними. Линиями обозначены связи, отвечающие за существующие рефлексы (аналогично связи 11 на рис. 11). Нейроны могут активироваться (например под действием рецепторных раздражителей) и вызывать активацию нейронов, запускающих мышечную реакцию или какое-либо иное физиологическое действие.
Рисунок 12. Появление нового рефлекса.
Пунктиром обозначена связь, которая впервые появилась в результате мутации. Если эта связь приведет к формированию «полезного» рефлекса, то она закрепится в потомках. Если связанный с ней рефлекс окажется бесполезным или даже вредным — этот эксперимент природы «провалится». Если рефлекс «вредный», то особь умрет, если бесполезный — не получит широкого распространения. Под «полезностью» здесь понимается возможность дать многочисленное жизнеспособное потомство.
В этой главе мы употребляли термин «алгоритм». Традиционно под алгоритмом понимается некоторая последовательность действий, ведущих к определенной цели. Термин «алгоритм» оказался очень удачным для использования в кибернетике. Первоначально компьютерные программы как раз и представляли собой последовательность инструкций для компьютера. Однако даже в кибернетике понятие алгоритма трансформировалось с появлением параллельных вычислений событийного программирования и других новых методов.
Применительно к нейронным сетям употребление термина «алгоритм» в традиционном его значении неуместно. Говоря об алгоритмах поведения, мы будем подразумевать некие формы поведения, которые на естественном языке можно описать « алгоритмическим» образом (на словах это и выглядит как алгоритм), помня при этом, что в основе поведения лежат процессы, происходящие в нейронных сетях, которые алгоритмическими не являются.
Нередко возникает путаница, связанная с тем, что если какие-то процессы можно описать алгоритмически (как последовательность команд для компьютера или другого исполнительного устройства), то делается вывод, что «приблизительно так», алгоритмически, работает и мозг человека. В действительности нейронные сети решают те же задачи не алгоритмическим способом. Однако алгоритмический путь более привычен для понимания и более нагляден, что и служит поводом для подмены. Ошибочность попыток «алгоритмизировать» поведение животных, свести его к последовательности рефлекторных действий особенно ярко будет видна несколько позже, когда мы будем говорить об инстинктах.
А сейчас расширим немного наше представление о рефлексах.
Вспомним еще раз определение: рефлексы — реакции организма, вызываемые центральной нервной системой при раздражении рецепторов агентами внутренней или внешней среды.
Примеры рефлексов, которые приводились выше,— это, по большей части, рефлексы, за которые отвечает спинной мозг, именно такой рефлекс изображен на рис. 18. Но к центральной нервной системе относится и головной мозг, и в нем происходят процессы, которые мы тоже называем рефлексами. Мы обладаем зрением, слухом, обонянием, вкусом, тактильными ощущениями. Головной мозг имеет дело не с первичным раздражением рецепторов, а с уже предварительно обработанной информацией, из которой специальными нейронными сетями выделены «сигналы», имеющие для нас определенный смысл. Такие «сигналы» или их сочетания вызывают срабатывание определенного рода рефлексов, которые приводят к соответствующей «реакции организма». Эта «реакция организма» — появление эмоций или ощущений.
Рефлексы, вызывающие мышечные или иные моторные отклики организма, и рефлексы, ведущие к появлению эмоций,— важный элемент мозаики явлений, из которых складывается феномен мышления. Но чтобы понять ту роль, которую играют в этом процессе рефлексы, необходимо сложить все части воедино.
Итак, двигаемся дальше.