Постепенно завоевала право на существование гипотеза о наличии специального механизма. Этот механизм возникает вследствие афферентного синтеза раньше, чем совершится действие и появится его результат, но вместе с тем содержит в себе все признаки этих будущих результатов. Этот механизм был назван П. К. Анохиным «акцептором результатов действия».
Его существование мыслилось в связи с необходимостью сличать результаты действия с результатами афферентного синтеза.
Однако сформулировать еще не значит доказать. Нужно было подтвердить существование этого весьма предположительного механизма, нужно было выяснить его устройство.
С этой целью специальные наблюдения были произведены на людях.
В то время, когда мясом в кормушке собаки подменяли сухари (1932 г.), еще не существовало ни кибернетики, ни бионики. Не возникло еще и проблемы предвидения. Поэтому встреченное новое физиологическое явление было названо «заготовленным возбуждением».
18 лет спустя, после ряда новых опытов, это явление было изучено еще глубже и названо «опережающим возбуждением». Тогда уже была возможность применить новейшую аппаратуру и измерять электрические токи, возникающие в человеческом мозге – в частности, при возбуждениях, опережающих течение событий.
Опыт поставили таким образом. Регистрировались биотоки мозга, появляющиеся при воздействии на человека тремя последовательными раздражителями «звонок – сирена – свет». После длительной тренировки последовательность этого ряда воздействий была изменена: вместо света внезапно был опять включен звонок. А мозг реагировал на повторный звуковой сигнал так же, как на свет. Из этого следовало, что возбуждение пришло в зрительную область раньше, чем туда мог прийти внешний раздражитель.
Стало очевидным, что при организации цепи раздражений возбуждение распространяется по мозгу от пункта к пункту гораздо более быстро, чем сами реальные, последовательно появляющиеся внешние раздражители. Возбуждение опережает реальный раздражитель, который должен еще только в будущем подействовать на центральную нервную систему, и занимает те области мозга, которые он в будущем должен возбудить. Так возникла идея о приспособительной роли возбуждений, названных «опережающим возбуждением».
Способность нервной системы создать цепь опережающих возбуждений является древней основой, на которой развивается условный рефлекс и любое предсказание, или «прогнозирование», будущих явлений. Стала ясна и ориентировочно-исследовательская реакция животного на подмен сухарей мясом. Она могла возникнуть только потому, что возбуждение от условного раздражителя, сигнализирующего вполне определенные вкусовые ощущения, развивается в тех клетках, где оно должно появиться лишь в будущем, то есть в момент поедания пищи. Между тем, признаки мяса оказались несовпадающими с этими «заготовленными возбуждениями».
Принцип развития опережающих возбуждений является следствием свойств нервной ткани и потому имеет место всюду, где возникает необходимость, выражаясь языком И. П. Павлова, «предупредительной реакции». Практически он «предсказывает» вероятные результаты действия при данном решении и данной цели действия. Вместе с тем комплекс возбуждений, в котором закодированы свойства будущих результатов, полностью обеспечивает сопоставление полученных результатов с тем, что задано, или с совокупностью признаков данной ситуации. Механизм «акцептора действия» имеет универсальное распространение, и вряд ли возможен какой-либо даже самый простой акт (будь то акт поведения или чисто физиологический процесс) без предварительного его формирования.
Однако все это еще не дает ответа на вопрос о конкретном устройстве механизма, который обеспечивает предсказание результатов и их сличение с реально получаемыми сведениями.
Для его изучения была избрана система дыхания. Достоинства и удобства ее как объекта исследования очевидны. Система дыхания характеризуется значительно упрощенным афферентным синтезом по сравнению даже с самым простым актом поведения. Сопоставив мотивацию, обстановку, сигнал и память в случае, когда человек идет выпить стакан воды, с мотивацией, обстановкой, сигналом и памятью при дыхании, мы ясно видим, что в первом случае число возможных вариантов поступка, число «степеней свободы» человека неизмеримо больше. В самом деле, если дыхание мотивируется только необходимостью воздухообмена в легких, то наряду с мотивом «жажды» у человека может быть еще множество других желаний, которые усложняют картину его психической деятельности. То же самое положение и в других составных частях афферентного синтеза.
Словом, процесс дыхания прост с точки зрения психической деятельности да вдобавок и хорошо изучен физиологически.
Был поставлен опыт. На пути распространения команд от мозга к органам дыхания (на диафрагмальном нерве) было поставлено специальное электронное устройство. Задача этого электронного устройства состояла в том, чтобы расшифровать сигналы, поступающие по нерву, и превратить их в команду для специального аппарата искусственного дыхания (аппарат искусственного дыхания, естественно, выполнял в данном случае функции легких). Благодаря такому способу преобразования естественной команды дыхательного центра, прибор искусственного дыхания становился самоуправляемым – в точном соответствии с запросами организма. Весь процесс забора воздуха в этой установке управлялся самим «дыхательным центром» мозга, то есть точно так же, как и в обычной ситуации.
Такой способ самоуправляемого искусственного дыхания позволяет самому организму выбирать наиболее благоприятный для его окислительных процессов режим дыхательной деятельности. Это, естественно, может представить большой интерес для практических целей в медицине.
Однако нас сейчас интересует не эта сторона дела. Для изучения проблемы «акцептора действия» важна возможность «рассогласовывать» команды, посылаемые мозгом и передаваемые электронным устройством.
Рассогласование производилось следующим образом. Получив команду от мозга забрать, скажем, 500 кубических сантиметров воздуха, электронное устройство уменьшало эту цифру до 300 и ее-то передавало аппарату искусственного дыхания. В соответствии с измененной командой в легкие поступало воздуха на 200 кубических сантиметров меньше, чем «запрашивал» мозг. Естественно, сведения о таком уменьшении дозы мгновенно поступали от легких к мозговому дыхательному центру. Как прореагирует он на это внезапное «рассогласование», на это несоответствие между решением и истинной его реализацией?
Опыт показал, что, получив информацию от легкого только о частичном выполнении приказа, дыхательный центр мозга немедленно реагирует на это увеличением запроса с 500 кубических сантиметров до, скажем, 700.
Такая быстрая и точная реакция дыхательного центра на информацию с периферии о внезапно сниженном результате имеет свои причины. Она может возникнуть только в том случае, если одновременно с посылкой команды легким в дыхательном центре создается и нервный комплекс, способный проверить соответствие будущих результатов исходному решению, то есть акцептор действия.
Будь дело иначе, получай мозг команду о нехватке кислорода, например, по изменению состава крови, его реакция не была бы столь быстрой и точной.
Здесь же следует обратить внимание на одну важную деталь. Как сказали бы кибернетики, информация о результатах подается здесь «в другом коде», нежели она «записана» в акцепторе действия. Нужно сказать, что организм вообще с поразительной легкостью проводит перекодировку сигналов, значительно превосходя в этом ныне существующие устройства. Тут лежит одна из интереснейших областей поисков для конструкторов будущих электронно-вычислительных машин.
Возвращаясь к нашей теме, можно констатировать существование некоторой универсальной закономерности в работе мозга, которая, по-видимому, относится как к актам поведения, так и к физиологическим актам.
Эту закономерность можно сформулировать следующим образом: во всех случаях посылки мозгом возбуждений к рабочим аппаратам одновременно с «командой» формируется некоторая модель, способная предвосхитить параметры будущих результатов и сличить в конце действия это предсказание с параметрами истинных результатов.
Особенное значение эта закономерность имеет в случае сложных актов поведения человека. Здесь могут быть поставлены самые разные цели – и большие, и малые. Всюду акцептор действия, формирующийся в момент принятия решения, определяет степень совпадения между задуманным и полученным. Не претендуя на точность определения, можно сказать, что каждый из нас состоит как бы из двух индивидуумов – один действует, а другой поглядывает и поправляет.
Предсказание результатов действия является универсальной функцией мозга, предупреждающей всякого рода «ошибки», то есть свершение действий, не соответствующих поставленной организмом цели.
Единственная возможность построить гармоническое поведение и избежать ошибки состоит именно в сличении результатов сделанного с ранее предсказанными данными этих результатов.
Акцептор действия – универсальный механизм для всех видов поведения. Известен такой эксперимент.
Птицам (воронам, курам) показывают движущийся в определенном направлении корм. При этом они его видят только на небольшом отрезке, затем корм уходит за ширму и продолжает двигаться в том же направлении.
Смысл «экстраполяционных рефлексов» состоит в том, что птицы (особенно вороны) определяют направление движения корма и бегут к тому месту ширмы, где корм должен показаться из-за нее. Иногда птицы обегают ширму с нужной стороны. То есть, видя движущийся предмет и определив направление движения, птицы «экстраполируют», продолжают это направление. «Экстраполируя» предмет на дальнейшее положение, они реагируют двигательной реакцией именно на это, невидимое им, положение кормушки.
Такой вид предсказания целиком отвечает той общей закономерности предвидения будущих результатов, которые были нами рассмотрены. В самом деле, для животного несколько видимых положений движущейся в определенном направлении кормушки служат материалом для афферентного синтеза. После завершения этого синтеза принимается решение о движении в определенном направлении и формируется акцептор действия, включающий характеристику будущего положения кормушки.
Точно так же, как и во всех остальных случаях, акцептор действия и здесь является аппаратом сличения и, следовательно, предсказывает возможные результаты замеченного движения объекта.
Другой пример относится к речи. Анализ ее структуры (с позиций нейрофизиологии) показывает весьма любопытные вещи. Решение сказать какую-либо фразу или высказать суждение складывается абсолютно так же, как и всякое другое решение, то есть после стадии афферентного синтеза. При этом решение что-то высказать формирует акцептор действия со всеми признаками будущей фразы.
Следовательно, здесь нет, как обычно представляют, каждого слова в отдельности. Акцептор действия формируется на каждую фразу с последовательным расположением слов, на целую смысловую систему. Последующее произнесение слов фразы с поэтапным контролем исключает возможность ошибки в выражении целой мысли, сформированной в стадии «решения». Никакой другой возможности произнести длинную фразу без смещения слов или даже, наоборот, с вариацией их расположения, но без потери смысла, нельзя представить себе, если не учитывать существования акцептора действия.
Это становится особенно явным, когда слово, произносимое первым, имеет смысл, находящийся в прямой зависимости от слова, произносимого позднее.
Например, в английской фразе «It is a book» артикль «а» может быть употреблен только в том случае, если неопределенность книги была известна перед началом фразы.
Еще нагляднее та же закономерность в стихосложении.
...Гори, гори, моя звезда
Эта фраза требует продолжения в определенном стихотворном размере:
Звезда любви приветная...
Размер будущего произведения «зашифрован» в первой фразе, с его учетом сформирован соответствующий акцептор действия.
Таким образом, мы видим, как аппарат предвидения результатов будущего действия, видоизменяясь, присутствует во всех жизненных актах самых разных индивидуумов. Отсюда следует непреложный вывод: наличие акцептора действия как аппарата контроля результатов действия и сличения их с поставленной целью абсолютно необходимо всему живому. С учетом этого вывода многие сложные акты поведения животных уже не покажутся чем-то парадоксальным.
Например, в конце пятидесятых годов были проделаны весьма интересные опыты с канарейкой. Птице подвязывались крылья так, чтобы она не могла взлететь, а могла лишь подпрыгивать. В высоко закрепленную кормушку насыпали пищу. Канарейка беспомощно прыгала около кормушки, не имея возможности добраться до зерен. Однако продолжалось такое безуспешное движение сравнительно недолго. Испробовав различные прыжки и не достигнув результата, канарейка подтащила клювом к кормушке картонную коробку, взобралась на нее и уже оттуда, подпрыгивая, добралась до зерен. Очевидно, что столь сложный поведенческий акт птица могла реализовать только по изложенной схеме: афферентный синтез – решение – акцептор действия – сличение результатов. Между тем еще совсем недавно, когда подобные опыты ставились И. П. Павловым на обезьянах, было принято считать, что такое целенаправленное поведение может быть присуще только высшим животным – человекообразным.
Интересно отметить, что необходимость анализа биологического предвидения актуальна сегодня и для физиологии, и для специалистов в области кибернетики. Это как бы встреча двух групп, ведущих прокладку туннеля навстречу друг другу. Поскольку с физиологической стороной вопроса мы более или менее познакомились, дадим слово представителю точных наук. Недавно крупный американский кибернетик Мэран писал, что мозг обладает, кроме всех прочих, способностью предвидения будущих ситуаций, причем не только непосредственно в следующий после получения информации момент, но также и в некотором отдаленном будущем. Поэтому все теории организации мозга, которые не отражают способности к предвидению, должны считаться несостоятельными. Система биологическая или искусственная не может быть признана мыслящей, если она не обнаруживает способности к предсказанию.
Такое заключение имеет, несомненно, большой практический смысл. Как мы видели, любая дробная функция организма, представляющая собой часть системы поведенческих или физиологических актов, оказывается возможной только в одном случае – если в момент формирования решения и команды к действию формируется сразу же и аппарат предсказания. Мы уже говорили раньше, а теперь на новом материале подчеркнем еще раз, что машины, имеющие возможность на каждом этапе своего действия «заглядывать в будущее», получат значительное преимущество перед современными.
Однако хотя мы и констатировали, что функция предсказания результатов является универсальной, имеется в любом виде деятельности организма и представляет собой реальный факт, от этого еще далеко до познания механизма ее действия. Дальнейшее изучение предвидения должно быть посвящено тонкому нейрофизиологическому и психологическому анализу его сущности.
Как видно, секрет формирования функционального аппарата предсказания ученые ищут в структуре командных импульсов, возникающих после принятия решения, импульсов, поступающих на исполнительные органы. При этом команды исполнительным органам мы должны сопоставлять с результатами действий, передаваемыми в мозг органами чувств.
Для изучения этих тонких процессов очень удобна уже рассматривавшаяся система дыхания. Тут очевидно следующее: аппарат предсказания, сформированный в момент выхода командных сигналов органом дыхания, должен быть в состоянии ожидания ровно столько, сколько потребуется для цикла дыхания. Время нужно, чтобы сократить диафрагму, расширить грудную клетку, растянуть альвеолы и сформировать обратную сигнализацию, идущую к дыхательному центру мозга. В ходе всех этих действий аппарат предсказания должен ждать их результатов.
При 15 дыханиях в минуту этот интервал равняется примерно 1 секунде. Следовательно, акцептор действия должен быть готов воспринять обратную информацию, информацию легких о заборе воздуха, в течение 700–800 миллисекунд.
Тут возникает несколько вопросов:
Каким образом импульсы команды могут положить начало формированию акцептора действия?
В какой форме, в каком состоянии аппарат предвидения находится в течение 800 миллисекунд?
В чем состоит механизм встречи акцептора действия и импульсов, характеризующих результаты действия?
Рабочая гипотеза, которую академик П. К. Анохин рекомендует принять для ответа на все эти вопросы, состоит в следующем. Вероятнее всего, что командные импульсы, управляющие в нашем случае процессом дыхания, поступают одновременно и к органам дыхания, и к тем нервным клеткам, которые получают от легких информацию о фактически взятом количестве воздуха. Это напоминает известный процесс «рассылки копий». Предположим, что некое министерство посылает какой-то приказ на завод. Чтобы можно было проверить ход выполнения распоряжения, копия этого приказа рассылается различным отделам министерства. В нашем примере центр мозга, управляющий дыханием (министерство), посылает приказ легким (заводу) и одновременно рассылает «копии» тем клеткам, которые будут получать информацию от легких о фактическом ходе дела. Чтобы «копию» приказа и информацию о его исполнении можно было сличить, нужно чтобы эта копия сохранялась достаточно долго, до получения информации с периферии. В нашем случае клетки, получившие «копии» дыхательных импульсов, должны быть ими возбуждены достаточно долго (около 800 миллисекунд) – до тех пор, пока не придет информация от органов дыхания.
Рассмотрим процесс, совершающийся в первый раз, например, первый вдох ребенка. От нервного центра команда к действию поступает в легкие. Одновременно ее «копии» возбуждают клетки А, В, С. Эти клетки удерживаются в возбужденном состоянии до тех пор, пока не придет с периферии информация о выполнении команды.
Информация о результатах действия поступает к тем же клеткам А, В, С. Так создается некое сложное образование, которое и есть, в сущности, акцептор действия. Теперь это уже полный аппарат предсказания, который может произвести сличение «предсказанного» с реальными результатами действия. Малейшее рассогласование импульсов ведет к изменению команды, как мы это уже отмечали раньше.
Подчеркнем: предлагаемая модель аппарата предвидения – воплощение рабочей гипотезы, наиболее удобной для исследовательской работы. Возможно, что она будет уточнена. Однако некоторая закономерность, важная и для целей исследования, и для нашего изложения, представляется установленной: мы не можем рассматривать изолированно какую-либо часть предвидения, не представляя всей архитектуры выполняемого акта, а главное – не представляя себе важнейшей роли самого предвидения во всей деятельности организма.