Нейрод, по существу, представляет собой формальный вычислительный элемент, получающий импульсы от других нейродов или рецепторов. Импульсы передаются по проводникам. При определенных условиях нейрод и сам порождает импульсы. Вся система синхронизируется часовым механизмом, выдающим тактовые импульсы с частотой, скажем, 100 тактов в секунду. Нейрод выдает импульс в конце очередного такта - причем только в конце такта, - если число импульсов, полученных им от других нейродов в продолжение завершающегося такта, больше или равно установленному заранее значению. (Время прохождения любого импульса между любыми двумя непосредственно соединенными нейродами всегда несколько меньше длительности одного такта.) Установленное число, управляющее поведением нейрода, называется его порогом.
В самом общем случае можно сказать, что импульсы передаются от нейродов к нейродам по проводникам двух видов - возбуждения и торможения. Нейрод срабатывает, если получает достаточное количество импульсов по линиям возбуждения, так что пороговое значение оказывается превзойденным. В то же время нейрод не сможет сработать в конце данного такта, если в его продолжение он получил импульс по линии торможения.
Часовой механизм управляет также рецепторами и моторами. Рецептор может послать сигнал только в конце такта. Срабатывая на каждом такте, он будет посылать 100 импульсов в секунду, достигая тем самым максимального уровня активности, на котором может работать рецептор. Моторы тоже могут получать максимум 100 импульсов в секунду от управляющих ими нейродов. Будем также предполагать, что каждый импульс, достигший мотора, поворачивает его колесо на некий небольшой угол. Такие устройства действительно существуют и называются шаговыми двигателями. Если теперь в управляющую схему, которая до сих пор была ультрапростейшей, ввести два нейрода, поведение двух рассмотренных выше машинок коренным образом изменится: боязливые машинки станут светолюбивыми, а агрессивные превратятся в робких. Однако их поведение не станет просто противоположным, изменение будет более тонким. В обоих случаях мы вставляем один нейрод с порогом 10 посередине каждого проводника, соединяющего рецептор с мотором, а участок проводника между рецептором и нейродом заменяется проводником тормозящего типа. Следовательно, когда нейрод получает импульс от рецептора, он ничего не посылает мотору, работой которого управляет. И наоборот, когда нейрод не получает импульсов от рецептора, он срабатывает и посылает импульс мотору. Другими словами, чем выше частота импульсов, посылаемых глазом, тем медленнее крутится мотор, и, наоборот, чем ниже частота импульсов от глаза, тем быстрее крутится мотор.
Машинки с двумя нейродами.
Теперь представим себе, каким будет поведение первой машинки, той, у которой проводники не перекрещены. При приближении к источнику света она двигается прямо на него, постепенно замедляясь. Наконец, она останавливается, глядя на лампочку в молчаливом восторге. Что же касается второй машинки, то перекрещенные проводники теперь заставляют ее медленно удаляться от ближайшего источника света, а затем, набирая скорость, стремительно убегать в самое темное место.
Причины такого поведения обеих машинок должны быть ясны любому, кто знает их управляющие схемы. В обоих случаях чем больше света попадает в рецепторы, тем медленнее вращаются моторы. Однако в первом случае более ярко освещенный глаз управляет более медленным мотором по ту же сторону от продольной оси. Благодаря этому отклонение от осевого направления корректируется. Во втором случае более ярко освещенный глаз управляет более медленным мотором по другую сторону от продольной оси, что лишь усиливает наметившееся отклонение.
До сих пор реакция моторов на сигналы, подаваемые рецепторами, была либо прямо, либо обратно пропорциональна частоте этих сигналов. При помощи простой схемы из четырех нейродов реакцию моторов можно сделать нелинейной. Поведение четырехнейродной схемы остается совершенно непримечательным до тех пор, пока рецептор посылает импульсы с частотой меньше 50 импульсов в секунду: чем больше импульсов в секунду поступает от рецептора, тем быстрее вращается мотор. Однако при частоте, превышающей 50 импульсов в секунду, поведение машинки становится интереснее. Вращение мотора начинает замедляться: чем больше импульсов в секунду поступает от рецептора, тем медленнее вращается мотор.
Чтобы объяснить, как работает схема управления из четырех нейродов, необходимо ввести понятие частоты импульсов. Частота импульсов - это среднее количество импульсов, приходящееся на один такт. Например, рецептор, посылающий 50 импульсов в секунду, работает с частотой 1/2, поскольку 50 импульсов в секунду, деленные на 100 тактов в секунду, дают нам 1/2 импульса на один такт (напомним, что часы отсчитывают 100 тактов в секунду). Так как нейрод или рецептор могут вырабатывать сигнал только в конце такта, частота импульсов никогда не превышает 1. Схема из четырех нейродов построена таким образом, что если глаз посылает импульсы с частотой меньшей 1/2, то все импульсы достигают мотора. Если же частота импульсов выше 1/2, то схема начинает действовать как сеть: чем больше посылается импульсов, тем меньшее их число достигает мотора.
Нелинейная схема управления мотором.
Четырехнейродная управляющая схема состоит из трехнейродной цепочки с порогом 1 и дополнительного нейрода с порогом 2. Первые два нейрода с порогом 1 посылают импульсы нейроду с порогом 2, который в свою очередь посылает импульс торможения третьему нейроду с порогом 1 в цепочке. Суммарный эффект этой схемы, если можно так выразиться, сводится к тому, чтобы в любой последовательности плотно прилегающих друг к другу импульсов, проходящих через это миниатюрное нервное сплетение, "убить" все импульсы, кроме первого. Предлагаю читателям самим убедиться в том, что схема работает именно так. При этом предполагается, что при частоте импульсов, меньшей 1/2, никакие два импульса не прилегают вплотную друг к другу. Однако при частотах выше 1/2 появляются скопления импульсов.
Предлагаю также поразмыслить над тем, каким будет поведение машинок, если каждый тормозящий проводник, ведущий от рецептора, заменить возбуждающим проводником, а каждый нейрод с порогом 0 заменить четырехнейродной нелинейной схемой. Вблизи источника света, там, где частота импульсов, посылаемых рецептором, выше 1/2, машинка с неперекрещенными соединениями между рецепторами и моторами будет вести себя как светолюбивое существо. Вдали же от источников света она становится пугливой и избегает освещенных мест. В то же время машинка с перекрещенными соединениями становится то нерешительной и боязливой, то агрессивной. При частоте импульсов, превышающей границу 1/2, она ведет себя агрессивно, устремляясь к ближайшей лампочке со все возрастающей скоростью. При частотах, меньших граничного значения, она становится нерешительной и боязливо отворачивается от света.
|