Что такое бионика - Асташенков Петр Тимофеевич (мир бесплатных книг TXT) 📗
Что же представляют собой сигналы, передающие различную информацию в живом организме? Как уже говорилось выше, это импульсы нервного возбуждения.
Точнее сказать, передача раздражения по нервному волокну — это электрохимический процесс, протекающий за счет энергии, накопленной в самом волокне. Энергия, израсходованная нервом на проведение импульса, восполняется потом, в процессе питания нерва. Все сообщения передаются по нерву в двоичном алфавите: либо нерв находится в покое, либо возбужден. О разной степени возбуждения говорит повышение частоты следования импульсов. Таким образом, при передаче сообщений по нервам мы имеем дело с частотно-импульсной модуляцией, получившей в последнее время широкое распространение в технике связи.
Роль усилителей поступающих сигналов в нервной системе для их дальнейшей передачи играют нейроны. Они привлекают сейчас пристальное внимание ученых.
Нейрон содержит тело клетки (рис. 21).
Рис. 21. Схематическое изображение нейрона.
Древовидные отростки — дендриты — служат входами, по которым к телу клетки подводятся импульсы раздражения. Выходом служит аксон. Каковы же размеры нейрона? Его тело имеет размеры менее 0,1 мм. Длина дендритов составляет от долей миллиметра до десятков сантиметров, их диаметр — около сотой доли миллиметра. Количество отростков может достигать нескольких десятков и даже сотен. Аксоны могут быть длиной от долей миллиметра до полутора метров.
В передаче нервными волокнами возбуждения велика роль синапсов, то есть мест перехода возбуждения от одной нервной клетки к другой. Синапсы проводят возбуждение только в одном направлении, с окончаний аксона одного нейрона к дендритам и клеточному телу другого нейрона. Поэтому и волокна в целом проводят импульсы лишь в одном направлении: либо от центра к периферии, либо от периферии к центру (центростремительные нервы).
На рис. 22 изображены предсинапсовые нейроны, обозначенные буквой А, и послесинапсовые нейроны — В.
Рис. 22. Предсинапсовые нейроны (А) и послесинапсовые нейроны (В).
Синапсов может быть от одного до нескольких сотен. Их особенно много у двигательных нейронов спинного мозга. Они передают импульсы, связанные с управлением движениями тела.
В мозгу человека, который ученые особенно настойчиво пытаются моделировать, насчитывается 10–15 миллиардов нейронов. Но дело не только в количестве, а и в их исключительной сложности и многообразии функций.
«Современная наука, — пишет в одной из статей известный советский ученый П. К. Анохин, — отчетливо показала, что сама нервная клетка и ее оболочка представляют собой целый мир разнообразных в химическом и физиологическом отношении образований.
Тончайшими методами исследования с помощью электронных аппаратов было установлено, что сотни, а иногда и тысячи контактов, которые имеет каждая нервная клетка, — это только начало того удивительного процесса на молекулярном уровне, позволяющего на теле размером в 20 тысячных долей миллиметра получить бесконечное количество синтетических процессов — „личную долю“ участия клетки в деятельности целого мозга».
Таким образом, нервную клетку вряд ли стоит рассматривать как элементарную деталь: это, условно говоря, уже «узел» «машины-мозга» со сложным комплексом функций, отражающих различные виды деятельности организма. Отсюда можно понять, как трудно искусственно воспроизвести такую клетку мозга.
Работам по созданию аналога нейрона посвящена основная часть исследований в области бионики за рубежом. Нейрон, как уже отмечалось, преобразователь с двоичным выходом, то есть с отсутствием или наличием сигнала. На нейрон биологического организма может подаваться возбуждающий или тормозящий импульс. Первый вызывает «срабатывание» нейрона, если величина энергии, накапливаемой нейроном за определенный отрезок времени, превысит некоторое, как говорят, пороговое значение. Если амплитуда импульса мала, нейрон не «сработает». Но если последовательно действуют несколько слабых сигналов, энергия которых в общей сложности превышает пороговое значение, то нейрон «срабатывает». Это означает, что он обладает свойством временного и пространственного суммирования. На выходе нейрона образуются импульсы стандартной величины и длительности.
Последовательным или временным суммированием именуют такое возбуждение нейрона, когда раздражения, меньшие пороговых, следуют через достаточно короткие промежутки времени. Пространственное суммирование состоит в одновременном подведении к двум или нескольким синапсам отдельных раздражений, более слабых, чем пороговые значения. В сумме они могут вызвать возбуждение нейрона.
Схематически можно изобразить модель нейрона так, как показано на рис. 23.
Рис. 23. Схема модели нейрона.
У нее множество входов, куда поступают сигналы Р1, Р2 и т. д. Они действуют через синаптические контакты S1, S2 и т. д. В этих контактах происходит задержка поступающего сигнала на время, в течение которого происходит выделение особого вещества, повышающего возбудимость нейрона и облегчающего реакцию клетки на последующие импульсы.
Воздействие на тело нейрона определяется суммой воздействий от всех входов и сигналами, действовавшими до этого. Срабатывание нейрона происходит, если воздействие превысит пороговое значение К. Тогда на выход нейрона поступает стандартный сигнал Р.
Интересно, что сразу же после воздействия возбуждающего импульса пороговый уровень нейрона резко возрастает до бесконечности. Значит, никакой вновь приходящий сигнал не заставит его «срабатывать». Такое состояние сохраняется обычно в течение нескольких миллисекунд. Затем пороговый уровень снижается.
Что касается тормозящего импульса, то он представляет собой запретный сигнал, делающий невозможным «срабатывание» нейрона от импульсов других входов.
В ряде зарубежных стран ведутся интенсивные работы по искусственному воспроизведению нейронов. В США, например, в этой работе участвует ряд научно- исследовательских учреждений, учебных заведений и фирм. В простейших аналогах нейрона используют всего один полупроводниковый прибор. В более сложных моделях берут несколько полупроводниковых приборов.
Аналог нейрона, содержащий четыре полупроводниковых прибора, имеет характеристики, близкие к своему биологическому прообразу. Этот аналог может возбуждать до 100 других приборов без существенного изменения формы и величины выходного сигнала. Предложенная конструкция применялась для воспроизведения функции глаза, где в качестве чувствительного элемента использовались селено-кадмиевые фотосопротивления (фотоэлементы, сопротивление которых меняется под влиянием видимого света).
Большой эффект дало соединение полупроводниковых приборов по принципу синаптических соединений в нервных тканях. При этом удалось имитировать действие этих тканей, как своеобразных фильтров, пропускающих лишь определенную информацию.
Для имитации нейронов применяются магнитные ферритовые сердечники, схемы специальных генераторов (мультивибраторов) и другие устройства.
Модель нейрона с мультивибратором показана на рис. 24.
Рис. 24. Модель нейрона с использованием мультивибратора на полупроводниках.
Главную роль играют полупроводниковые приборы Т2 и Т3. В устойчивом состоянии Т2 заперт, так как на него подано отрицательное напряжение через сопротивление R6. Полупроводниковый прибор Т3, напротив, находится в отпертом состоянии. При этом оказывается, что потенциал в точке А положительный (+ 20 в), а в точке Б также положительный, но ниже по величине.
