УДК 007:(141.112+159.155)
СИГНАЛЫ, ВОСПРИНИМАЕМЫЕ МОЗГОМ
SIGNALS THAT THE BRAIN CAN UNDERSTAND
Заслуженный деятель науки РФ, доктор техн. наук, проф. Владимир Романенко,
Председатель совета Северо-западного отделения академии информатизации образования (Россия)
Honored Scientist of RF, PH. D., prof. Vladimir Romanenko,
Chairman of Counsil at the North-Western branch of the Academy of information technologies in education (Russia)
head@akadionw.spb.ru +7(921)924-6330.
Заслуженный деятель науки и образования РАЕ, доктор пед. наук, проф. МАФО
Галина Никитина
Учёный секретарь Северо-западного отделения академии информатизации образования (Россия)
The honored worker of Science and Education RAE, PH. D, prof. IAFE Galina Nikitina.
Scientific Secretaru of Council at the North-Western branch of the Academyof information technologies in education (Russia)
ladogalake@gmail.com +7(921)328-8515
Аннотация:
Окружающий Мир воспринимается сознанием как набор объектов. Между ними идёт непрерывный обмен сигналами. Часть сигналов неразрывно связана с природой Мироздания. В живой Природе есть специально создаваемые для восприятия сигналы. Они составляют основу коммуникации. В ряде случаев коммуникация может быть адресной. Реальное взаимопонимание коммуникатора и клиента связано с качеством расшифровки сигнала. Оно зависит о степени сходства коммуникатора и клиента и от тезаурусов обоих участников коммуникационного обмена. Правильность тезаурусов подтверждается в ходе процесса эволюции. Существенную роль в расшифровке семантического смысла сообщения имеет контекст.
Ключевые слова:
Сигнал, коммуникация, контекст, восприятие, тезаурус, эволюция.
Summary:
The Universe perceived by consciousness as the set of objects. There is a continuous exchange of signals between them. One part of these signals is inseparably tied with the nature of the Universe. In the living part of the Universe one can find signals which are specially created for perception. They are the basis of communication. In some cases the communication may be targeted. Real understanding between communicator and client depends on quality of the signal decryption. It depends on the degree of intimacy of communication process participants. Closeness of their thesauruses is also essential. The correctness of thesauruses is confirmed by evolution. The context of message is significant for decryption too.
Key words: Signal, communication, context, perception, thesaurus, evolution.
Что такое коммуникация
Мироздание неоднородно в пространстве ивремени. Как следствие пространственной неоднородности мы воспринимаем Мир разбитым на отдельные объекты. Между ними происходит постоянный обмен различными формами материи — веществом, энергией информацией[1]. Ограничимся рассмотрением потоков информации. Если взаимодействие с окружением оставляет неизменными свойства объекта, которые являются для него определяющими, то упрощённо говорят о воздействии потока информации на этот объект. Сам объект считают неизменным[1]. Обычно основное внимание уделяют процессам передачи и восприятия информации. Мы же остановимся на процессах вызывающих эти явления, то есть на возникновении того, что именуют сигналом. Из всеобщности взаимодействий между объектами Мироздания[2] следует, что любой объект обязательно является и источником, и приёмником сигналов. Испускание большой группы сигналов происходит без каких-либо усилий или команд со стороны источника, то есть объекта. Этот процесс неотъемлем от объекта, то есть присущ его природе. В философии то называют имманентностью. Она присуща объектам как неживой, так и живой природы. Примером таких сигналов можно считать тепловое излучение. Кстати оно несёт информацию о температуре (состоянии) объекта, и может активно влиять на свойства принимающего или излучающего объекта. Живые объекты характеризуются способностью испускания сигналов другого типа. Они несу сведения об их состоянии. У высших животных можно говорить о «преднамеренности» таких сигналов. Преднамеренно испускаемые сигналы могут не иметь определённого адресата. Это похоже на сигналы SOS, которые рассылаются в пространство во всех направлениях, но конкретного адресата не имеют. Если эти сигналы воспринимаются другими живыми объектами, реагирующими на них, мы говорим о коммуникации. У высших животных известны сигналы, имеющие определённых адресатов (клиентов). Здесь говорят об адресной коммуникации. Этот тип целенаправленных сигналов предмет нашего обсуждения.
О понимании коммуникативного сигнала
Сигнал,поступающий к адресату, должен быть «правильно понят». Это называетя дешифровкой. Исторически основное внимание при целенаправленной передаче сигналов уделялось количественным характеристикам. Обсуждению приема и расшифровки сигнала, его семантике, то есть смыслу, уделялось меньше внимания. Расшифровка процесс многоступенчатый. На каждой ступени происходит преобразование сигнала. При этом наиболее «важная» часть сигнала каждый раз отражается на новом носителе. Такое отражение многократно повторяется. Процесс многократного отражения иногда называют информационным процессом[3]. Последовательность преобразований сигнала при расшифровке и внутренней передаче разделяется на два этапа. Один этап физико-физиологический. Для высших живых организмов его результатом считается возникновение нейрофизиологических контуров или, более просто, внутренних сигналов в мозгу. Они предшествуют этапу семантической идентификации сигнала, то есть оценке его смысла. Для определения смысла сигнала нужен процесс его определения или узнавания. Он более сложен и основан на сравнении сигнала с уже имеющимися записями в памяти. Эту процедуру называют восприятием.
Каждый объект воспринимает поток внешних сигналов по-разному. Два рядом сидящих человека видят любой предмет немного под разными углами. Более того, каждый глаз человека видит предмет несколько иначе, чем другой. В обыденной жизни сказанное не является помехой. Это объясняется тем, что разные индивидуумы очень близки друг к другу (похожи). Поэтому качество расшифровки зависит от близости свойств, то есть схожести воспринимающих объектов. Эту схожесть обеспечивает и сходный жизненный опыт. Схожесть опыта является основой взаимопонимания. Одним из первых, кто чётко указал на это, был астрофизик Ф. Хойл4]. .
Второй этап расшифровки сигнала связан с процессом его сравнения с «записями», хранящимися в словаре (тезаурусе) воспринимающего объекта. Здесь важны не только близость источника и приёмника, но и их предыдущий опыт. Отсутствие у одного из объектов необходимого опыта может полностью или частично компенсироваться с помощью контекста. Сказанное хорошо проявляется при расшифровке смысла языковых посланий, точнее при переводе с одного языка на другой[5]. Чем более различаются по своим свойствам и словарям источник и приёмник, тем более длинный контекст требуется для взаимопонимания. Строгие критерии адекватности взаимопонимания найти сложно. Для оценки правильности взаимопонимания в соответствии с теоремой Гёделя, нужно выйти за пределы системы[6]. И при формировании, и при приёме сигнала имеется неопределённость, с связанная с влиянием принимающего и обрабатывающего сигнал «устройства». Аналогичная неопределённость связана и с условиями формирования сигнала..
Каналы адресной коммуникации
Передача адресного сигнала идёт по схеме:
ИСТОЧНИК →КАНАЛ СВЯЗИ→КЛИЕНТ
Канал связи характеризуется пропускной способностью. Однако прохождение сигнала зависит и от характеристик источника и клиента. Канал связи может иметь большую пропускную способность, но формирование сигнала и его дешифровка клиентом часто обладают меньшей скоростью. Общая характеристика пропускной способности всего коммуникационного канала определяется наиболее медленной его составляющей. В технике для более эффективного использования возможностей каналов связи используют специальные устройства. Если не говорить о человеке, то в живой Природе технические устройства в каналах связи не используются. Эти каналы развились путём эволюции первичных взаимодействий простейших организмов с окружающей средой. Такие взаимодействия поставляли информацию о химическом составе окружающей среды, её движении и об окружающих полях. В результате длительной эволюции, имевшей несколько стадий[7], у земных существ возникли нынешние органы чувств. У высших живых существ внешний сигнал воздействует на рецептор, относящийся к периферической части анализатора. Затем преобразованный сигнал по проводящей части анализатора попадает в его центральную часть. Она относится к мозгу. Такая система тем сложнее, чем более высоко организовано живое существо. Анализатор не только преобразует сигнал, но и отсекает большую часть сообщения, оставляя только его «существенную» часть. Работа анализатора требует времени. Повторим ещё раз, что информация, обладающая семантическим смыслом, возникает при сравнении обработанного сигнала с внутренним словарём (тезаурусом) мозга. Сама передача сигнала и связанной с ним информации происходит посредством многократных преобразований (отражений). Все эти операции требуют времени. Получение информации (простое отражение) и её понимание (освоение, запоминание) — это разные процессы[8]. Второй процесс, то есть выделение из потока информации наиболее важной части. Сведения о скорости работы мозга отсутствуют, но известно, что она существенно меньше, чем скорость получения информации. Поэтому ошибочно оценивать возможности освоения информации исходя только из пропускной способности канала передачи[9].
Чтобы спользовать все возможности канала передачи сигнала, необходимо, чтобы в процессе эволюции развились соответствующие органы для формирования сигнала. Известны такие органы для каналов на звуковых частотах. Это не только органы пения птиц или соответствующий голосовой аппарат человека. Это и различные органы насекомых, не связанные с голосом. Важно отметить иное: сигнальный канал, обладающий наибольшей пропускной способностью, работает в спектре электромагнитного излучения оптического диапазона. Зрительная цепь, начинающаяся в глазу позволяет регистрировать соответствующие сигналы и эффективно трансформировать частоту в психофизиологическую характеристику, называемую цветом. При необходимости можно в основных чертах восстановить ход эволюции от простой клетки, питающейся за счёт фотосинтеза, до современного сложного органа восприятия. Аналогично можно проследить и эволюцию звукового канала. В случае звукового канала эволюция органов восприятия и органов, создающих сигнал, шла параллельно. В случае же зрительного канала такой параллельности не наблюдалось. Эффективные анализаторы сигналов светового диапазона возникли, а эффективных источников для генерации световых сигналов (модуляторов) эволюция не создала или же они нам неизвестны. Имеются живые существа генерирующие световые сигналы, например светлячки. Известно и явление триболюменисценции ряда существ. Тем не менее, мы пока не знаем созданных Природой эффективных источников, позволяющих использовать все возможности оптического канала без применения технических устройств. С этой точки зрения танец пчёл — это пример использования только незначительной части возможностей зрительного канала из-за «несовершенства» источника сигнала. Заметим ещё, что источники формирования коммуникационных каналов на основе анализа химического состава среды хорошо известны и широко распространены в Природе. Это, прежде всего, передача сигналов посредством феромонов. Эффективность такого канала связи в случае животных усиливается за счёт активной дыхательной системы.
Возможности разных коммуникационных каналов
Коммуникационный канал можно разбить на три части: источник сигнала и модулятор, канал передачи сигнала и анализатор. Три типа взаимодействий, о которых мы упоминали ранее, то есть механическое воздействие среды (её движение или механическое давление), химический состав среды и электромагнитные поля ориентированы на определенную возможность передачи сигнала. Источник сигнала, и анализатор в своей эволюции «подстраиваются» под возможности передачи сигнала того или иного типа. Механические колебания и движение среды эффективны в жидкости. Поэтому у рыб имеются т.н. «боковые органы». На суше тимпанальные органы чувств насекомых и ряда животных (например на нижней поверхности ноги слона) улавливают колебания среды. У некоторых насекомых, а также у животных, механические колебания среды путём преобразования переводятся в колебания жидкости. Так происходит в анатомической структуре человеческого уха, называемой улиткой. Такие анализаторы определяют амплитуду (мощность) колебаний в определённом диапазоне частот, а также частоту (тон). Оценивается и спектральный состав (обертона, шум). Звуковой канал работает на невысоких частотах. Поэтому его пропускная способность относительно невелика. Тем не менее, возможности амплитудной и частотной модуляции позволяют пользуясь этим каналом эффективно передавать большое количество сложных сообщений.
Каналы, основанные на анализе состава окружающей среды, имеют одно принципиальное отличие от каналов, основанных на использовании различных частот. Основная реакция анализатора в каналах основанных на химическом анализе строится по принципу определения наличия-отсутствия того или иного химического соединения или их комбинации. Для каждого типа молекул нужен свой «эталон» сравнения. Если говорить о феромонах, то за «опознание» каждого «запаха» должен «отвечать» как минимум один ген. Если говорить о примерно 10.000 — 20.000 «запахов» в системе обонятельного анализатора человека, то количество генов в геноме должно быть того же порядка величины. В случае же зрительного анализатора необходимо обеспечить работу трёх (у других живых существ 4-х или даже 8) типов колбочек. Для этого в геноме нужно намного меньшее количество генов. В то же время сочетание различной величины их возбуждения позволяет идентифицировать огромное количество цветов и их оттенков. Эта идентификация тоже требует определённых ресурсов генома для записи соответствующих программ. Тем не менее общее количество затрачиваемого генетического ресурса здесь существенно меньше. Если говорить об аналогиях, то передача сведений феромонами аналогична иероглифическому письму. Передача же информации светом и звуком аналогична письму буквенному. Иными словами, она более гибкая и информативная.
Вероятно, после возникновения жизни на Земле, «были опробованы» основные варианты и самих каналов, и их кодирования. Считают, что путь эволюции был от простых каналов к более сложным и эффективным. Судить о том, все ли возможности были «опробованы» и насколько вероятно наличие других типов каналов вне земных условий, сейчас невозможно. Тем не менее полезно провести сравнение разных каналов с целью выявления общих моментов.
Внутренние и внешние коммуникации
Коммуникации возникают между схожими по своей природе объектами. С ходом эволюции эти объекты усложняются. В результате возникают сложные организмы, а сами коммуникации со временем разделяются на часть обслуживающую внутреннюю систему организма и часть для внешней связи. Промежуточные этапы, типа возникновения т.н. «чувства кворума» у колоний бактерий[10] активно изучаются в настоящее время. Вероятно к промежуточным типам коммуникации можно отнести специфические типы контактов между особями коллективных насекомых: щекотание друг друга усиками, поедание испражнений и т.п. В ряде случаев возникновение особых форм контактов в социуме, таких как возникновение Интернета, истолковывается в этом же плане[11]. Здесь самое интересное это установление того факта, что даже слабый коммуникативный обмен между особями способен вызывать кооперативные действия, похожие на интеллектуальную деятельность. Так поведение большой группы термитов можно промоделировать «поведением» группы простых роботов, механически взаимодействующих друг с другом[12].
Некоторые косвенные соображения по этим проблемам можно найти в материалах В.М. Карцева на сайте Academia телеканала «Культура». Они посвящены поведению
коллективных насекомых. Здесь устанавливается, что успешный процесс коммуникации между особями способствует возникновению ранжирования в группе ранее однородных особей[13]. Поскольку говорить о полной идентичности особей неверно, разумнее говорить о том, что коммуникация позволяет выявить скрытые на некоторых глубинных уровнях поведенческой иерархии различия между особями и даже, возможно, усилить их. Именно на основе этой разницы возникают ранжирование и, как следствие, иерархия. В результате появляются основы для псевдосоциальной структуры. Критерием эффективности коммуникации в этом случае можно считать установление устойчивых поведенческих ролей индивидуумов в группе.
Восприятие
Обработку в мозгу дешифрованных сигналов называют восприятием. Упрощённо целью коммуникации и в особенности адресной коммуникации, является узнавание. Узнавание — это взаимодействие восприятия и памяти. В психологическом аспекте при рассмотрении узнавания, нужно учитывать процессы мышления и воображения. При узнавании существенную роль играет и такой, трудно определяемый фактор, как угадывание. Одна из основ коммуникационного процесса — это фильтрация. Фильтрация должна выделить часть сигнала. При адресной коммуникации оптимальным вариантом должно быть полное выделение части сигнала, адресованной клиенту. Если бы при этом отсекалась вся ненужная часть сигнала, то такой фильтр считался бы идеальным.
В основе взаимодействия отфильтрованного сигнала с памятью лежит операция сравнения. Её сложность связана не только с большим объемом хранящихся в памяти сведений. Одна из основных трудностей связана с тем, что эти сведения расположены на разных иерархических уровнях памяти. Актуальные уровни записанных сведений, которые законно считаются информацией, при анализе опираются на более глубокие уровни. Такое обращение затрагивает два ниже расположенных уровня иерархии[14]. Там же приводятся соображения о связи этой закономерности с числами Фибоначчи и правилом Парето[15]. Однако, главной проблемой узнавания считать содержание памяти. Если в памяти заложены неправильные эталоны, то восприятие и осмысливание будут частично или полностью неверными. Основная проблема здесь «выявление правильности» словаря, находящегося в памяти. Иногда коммуникатор и клиент заранее договориваются о некоторых смыслах передаваемого сигнала. Чтобы реализовать такой уговор, нужно заранее иметь обширный словарь. В общем же даже близкие по своей сущности и структуре коммуникатор и клиент не имеют возможности оценить то, насколько верно происходит восприятие. Тем не менее обычно в реальной жизни сомнений в надёжности процесса узнавания не возникает.
Механизмом оценки надёжности восприятия опирается на обобщённую практику. Живые объекты реагируют на внешний мир своим поведением. Поведение определется как реакция объекта на внешние воздействия[16]. Неправильная реакция ставит объект в невыгодные условия. В крайних случаях она приводит к гибели объекта. В общем же живое существо с неправильной реакцией на внешние воздействия теряет возможность оставлять многочисленное потомство. Иными словами практика эволюционного отбора является объективным критерием, позволяющим говорить о правильности восприятия. Формирование закрепления должно быть интенсивным. Интенсивность можно пытаться оценить по числу поколений, необходимых для чёткого закрепления в наследственной памяти основ «правильной» поведенческой реакции на внешние сигналы.
Роль контекста
Расшифрованный и отфильтрованный сигнал оценивается разными характеристиками. Наиболее исследованная из них количественная. Она важна для оценки свойств канала связи: пропускной способности и потерь, связанных с шумами и привнесённой извне дополнительной информацией. Иногда такая дополнительная информация имеет адресный характер. Следуя[17], её можно назвать дополняющей. Для правильной реакции на сигнал объект должен понять его содержание, то есть его семантический смысл18]. Основная особенность смысла то, что его можно передать другим способом. В речи и мышлении говорят об утверждении, выраженным другими словами.
Расшифрованные и опознанные сигналы, не всегда позволяют правильно оценить смысл сообщения. Поясним это простейшими примерами понимания письменного текста. Пусть переданный сигнал в буквах кириллицы распознаётся как буквенное сочетание ЧАС. В русском языке оно обозначает интервал времени. В украинском же это само ВРЕМЯ. Разный смысл в этой паре языков имеет буквенная запись ТАК. Есть много подобных примеров для разных языковых пар. Человеку, владеющими обоими языками, определение смысла этих сигналов не представляет никакого труда, если он знает на каком языке послан сигнал. Для этого нужно взглянуть на соседние слова, то есть привлечь к расшифровке смысла контекст. В сложных случаях для расшифровки смысла требуется большой контекст. Сам контекст имеет различные иерархические уровни. Например, один уровень — это язык, следующий — это индивидуальные характеристики коммуникатора (образование, профессия). Далее можно учитывать некоторые сведения о том времени, когда был был написан документ . Такую многоступенчатость нужную для понимания, Ю.М. Лотман называл текст в тексте[19]. Отыскание подлинного смысла может потребовать большого и сложного по структуре контекста. А.Н. Колмогоров связывал понятие информации с длиной необходимого для её создания алгоритма[20]. В рассматриваемом случае сложность и многозначность смысла можно связать с характеристиками контекста, необходимого для расшифровки «полного смысла» сигнала. Набор всех контекстов, используемых для анализа смысла множества сообщений, связан с понятием культуры.
Заключение
Интеллектуальные процессы и их аналоги основаны на расшифровке семантического смысла передаваемых сигналов. Фактически именно отражение части сигнала и трактуется как осмысленная информация. Освоение же информации живым существом или некоей сложной технической моделью принято истолковывать как понимание. В нашем рассмотрении главной линией было изучение последовательности:
Сигнал → Фильтрация → Сравнение→ Восприятие→ Анализ
Аналогичные проблемы возникают и на других иерархических уровнях человеческого мышления.
Литература
- Романенко В.Н., Никитина Г.В. Информация и понимание идеального [Электронный журнал] — Общество: Философия, история, культура (2013) № 1.
Код доступа: http://dom-hors.ru/issue/fik/2013-1/romanenko-nikitina.pdf .
- Философский словарь / Под ред. И.Т. Фролова: 4-е изд. — М.: Политиздат, 1981.
- Ершов Ю.А. Энергетика и кинетика информационных взаимодействий — ЖФХ т. 73, № 10,
С. 1817-1823 (1999).
- Хойл Ф. Чёрное облако. Пер. с англ. — В сб. «Научная фантастика», вып. 4 (1966).
- Демидов В.Е. Видимые слова. 14-я глава книги «Как мы видим то, что видим» [Электронный ресурс] —
Код доступа: http://www.proza.ru/2012/04/03/2178 .
- Чудинов Э.М. Природа научной истины — М.: Госполитиздат, 1977. 312 с.
- Турчин В.Ф. Феномен науки: Кибернетический подход к эволюции. Изд. 2-е — М.: ЭТС, 2000. 366 с.
- Адлер М. Как читать книги: Руководство по чтению великих произведений. Пер. с англ. — М.: Манн, Иванов и Фербер, 2011. 335 с.
- Шур А.Б. Дополнение к статье «Уйти от экстенсивности» [Электронный ресурс] —
Код доступа: http://www.elektron2000.com/article/1281/speech/1294.html .
- Олексин А.В., Ботвиенко И.В., Цавелкова Е.А. Организация и межклеточная коммуникация у микроорганизмов — Микробиология т.69, № 3, 309-327 (2000).
- Heylighen E., Gershenson C. The Meaning of Self-Organisation in ComPuting [Elrctronic resource] — IEEE Inteligent Systems, 2003.
Access at: http://peppmc1.vub.ac.be/papers/IEEE.self-organisation.pdf.
- Giomi L., Hawely-Wald N., Mahadeven L. Swarming, swirling and stasis in sequentstead Bristle-Bads — Proc. Roy. Soc. A 469, 20120637 (2013).
- Фридман В.С. От стимула к символу: Сигналы в коммуникациях позвоночных — М.: Либрком, 2013 Ч. I, 544 c; Ч. II, 422 с.
- Жирмунский А.В., Кузьмин В.И. Критические уровни в развитии природных систем — Л.: «Наука» ЛО, 1990. 223 с.
- Парето В. Компендиум по общей социологии. Пер. с итал. — М.: Изд. Дом ГУ. ВШЭ, 2007. 511с.
- Гаазе-Раппопорт М.Г., Поспелов Д.А. От амёбы до робота. Модели поведения — М.: «Наука»; Физматгиз, 1987. 288 с.
- Тоффлер Э. Третья волна. Пер. с англ. — М.: АСТ, 2004, 781 с.
- Шрейдер Ю.А. Тезаурусы в информатике и теоретической семантике — НТИ сер. 2(1971) с.21-24.
- Лотман Ю.М. Текст в тексте — В «Статьи по семиотике и топологии культуры. В 3-х томах. Т. I. 472 с.
- Колмогоров А.Н. Теория информации и теория алгоритмов — М.: «Наука», 1987. 304 с.
