Биологическая параллель нейрокомпьютерам

Информацию об окружающем мире и о внутренней среде организма человек получает с помощью сенсорных систем, названных Павловым анализаторами.

С точки зрения современной нейрофизиологии под сенсорными системами понимаются специализированные части нервной системы, состоящей из периферических рецепторов (органы чувств), отходящие от них нервные волокна (проводящие пути) и клетки центральной нервной системы, сгруппированные вместе в так называемые сенсорные центры.

В сенсорных органах происходит преобразование энергии стимула в нервный сигнал (рецепторный потенциал), который трансформируется в импульсную активность нервных клеток (потенциалы действия). По проводящим путям эти потенциалы достигают сенсорных центров, на клетках которых происходит переключение нервных волокон и преобразование нервного сигнала (перекодировка).

На всех уровнях сенсорной системы одновременно с кодирование и анализом стимулов осуществляется декодирование сигналов (считывание сенсорного кода). Декодирование осуществляется на основе связей сенсорных центров с двигательными и ассоциативными отделами мозга. Нервные импульсы клеток двигательных систем вызывают возбуждение или торможение. Результатом этих процессов является движение или остановка (действие и бездействие). Следует подчеркнуть, что природа носителя информации в сенсорных системах является электрической.

Таким образом, основными функциями сенсорных систем являются: рецепция сигнала; преобразование рецепторного потенциала в импульсную активность проводящих путей; передача первичной активности в сенсорные центры; преобразование первичной активности в сенсорных центрах; анализ свойств сигналов; идентификация свойств сигналов; принятие решения.

Очевидно, центральным звеном в биологических системах управления является мозг, состоящий из более 100 млрд. нервных клеток — нейронов, каждая из которых имеет в среднем 10 000 связей.

Нейрон имеет тело (сому), дерево входов — дендритов, и выход — аксон (рис. 1.1). Длина дендритов может достигать 1 мм, длина аксона — сотен миллиметров. На соме и дендритах располагаются окончания других нервных клеток. Каждое такое окончание называется синапсом.

Проходя через синапс, электрический сигнал меняет свою амплитуду: увеличивает или уменьшает. Это можно интерпретировать как умножение амплитуды сигнала на весовой (синаптический) коэффициент. Взвешенные в дендритном дереве входные сигналы суммируются в соме, и затем на аксоном выходе генерируется выходной импульс (спайк) или пачка импульсов.

Выходной сигнал проходит по ветви аксона и достигает синапсов, которые соединяют аксон с дендритными деревьями других нейронов. Через синапсы сигнал трансформируется в новый входной сигнал для смежных нейронов. Этот сигнал может быть положительным или отрицательным (возбуждающим или тормозящим), в зависимости от вида синапса. Величина сигнала, генерируемого на выходе синапса, может быть различной даже при одинаковой величине сигнала на входе синапса. Эти различия определяются синаптическим коэффициентом (весом синапса), который может меняться в процессе функционирования синапса.

В настоящее время нейроны разделяют на три большие группы:

• 1. рецепторные, предназначенные для ввода сенсорной информации в мозг. Они преобразуют воздействие окружающей среды на органы чувств (свет на сетчатку глаза, звук на ушную улитку) в электрические импульсы на выходе своих аксонов;
• 2. промежуточные, образуют центральную нервную систему и предназначены для обработки информации, полученной от рецепторов и передачи управляющих воздействий на эффекторы;