Теория сигналов и психические процессы

Теория сигналов является центральной в кибернетике. Ее основными поняти­ями являются управляющий контур и информация. Управляющий контур — это система управления технического или биологического объекта, которая включает в себя ряд механизмов, обеспечивающих процесс управления от момента получения сигнала до выполнения соответствующего действия. Принято разделять разомк­нутые, или открытые, и замкнутые управляющие контуры. К разомкнутым управля­ющим контурам относятся системы, способные лишь к ответному действию, зало­женному программой, без ее корректировки. В большинстве случаев при разомкну­том управляющем контуре контроль над выполняемым действием самой системой не осуществляется. Как правило, данный вариант управляющего контура являет­ся частным случаем более сложного закрытого управляющего контура. Закрытый управляющий контур включает в себя структурные элементы, которые обеспечи­вают контроль над выполнением действия до его полного завершения, и при необ­ходимости выполняют корректировку действия в зависимости от условий, в кото­рых это действие выполняется. Для осуществления процесса управления по прин­ципу замкнутого контура система должна иметь ряд функциональных элементов

управления, таких как блок приема и передачи информации, блок хранения ин­формации, программный блок, блок сличения эталонов и результатов выполне­ния действия, блок оценки ситуации, блок принятия решения, блок выдачи ко­манд на выполнение действий и др.

Н. Винер считает, что живой организм управляется по общим принципам. Для этого у него есть все необходимое, вплоть до морфологического строения отдель­ных органов и систем. Например, такова морфология нейрона. Нейрон имеет функ­циональный блок входа информации — дендрит; центральный, интегрирующий блок — тело нейрона; блок выхода — аксон. Следовательно, морфологическое строение и функциональная организация живого организма имеют природную предрасположенность к тому, чтобы осуществлять саморегуляцию по общекибер­нетическим принципам.

Следует отметить, что в регуляции живых организмов встречаются оба конту­ра. Рефлекторная дуга по своей сути является разомкнутым контуром. Действием рефлекторной дуги можно объяснить простейшие действия. Например, инстинк­тивное отдергивание руки при прикосновении к горячему предмету. Более слож­ные действия имеют более сложную систему управления, реализующуюся по принципу замкнутого управляющего контура. Вариантом такого контура в био­логических объектах является рефлекторное кольцо. Однако включение любого из управляющих контуров вызвано получением организмом соответствующей информации. Что же такое информация? Какова ее природа? Давайте постараем­ся ответить на эти вопросы.

Первоначально термин «информация» рассматривался как технический тер­мин. В дальнейшем это понятие получило более обобщенный смысл. Н. Винер пишет: «Информация — это обозначение содержания, полученногоиз внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспособления к нему наших чувств. Процесс получения и использования информации является процессом нашего приспособления к случайностям внешней среды и нашей жизнедеятельно­сти в этой среде...» (Винер Н., 1958).

Таким образом, то знание о чем-либо или о ком-либо, которое мы получаем, и есть информация. Человек обладает двумя способами получения информации об окружающем его мире и явлениях объективной действительности. Это, во-пер­вых, непосредственное чувственное восприятие и, во-вторых, это мышление, или опосредованное восприятие. Рассмотрим более подробно первый канал получе­ния информации.

Для чувственного восприятия источником информации являются все окружаю­щие человека предметы, способные воздействовать на его органы чувств. Одно­временно на наши органы чувств оказывают воздействие десятки и сотни предме­тов. Эти объекты реального мира составляют для нас своеобразное сенсорное поле, которое может быть представлено в виде множества элементов источника инфор­мации (А). Однако эта информация является информацией только для того, для кого она может быть источником определенных знаний. Следовательно, источник информации и носитель информации — это понятия не только не тождественные, но и существующие раздельно, хотя они тесно взаимосвязаны друг с другом. По­этому феномен информации может быть представлен как отображение множества

Рис. 17.2. Тождество двух множеств, как условие существования информации. Объяснения в тексте

элементов источника информации во множество состояний носителя информа­ции (В). При этом множество В должно быть тождественно множеству Л (рис. 17.2). Но если мы заговорили о тождестве множеств, то должны отдавать себе отчет в том, что источник информации имеет определенные характеристики, воспринимаемые носителем информации. Что это за характеристики? Какие из них являются наи­более значимыми для человека или другого живого организма?

Независимо от модальности источника информации и его значимости для не­посредственного объекта, воспринимающего данную информацию, существуют характеристики, свойственные для всех информационных источников физиче­ского мира — это время и место, занимаемое ими в пространстве. Действительно, пространственно-временные характеристики присущи всем объектам внешней среды, которые являются для живого организма потенциальным источником ин­формации. Однако, как вы помните, все окружающие нас объекты могут высту­пать или как предмет, или как фон. Почему происходит выделение определенного объекта в качестве предмета? Почему мы в состоянии отвлечься от шума или по­мех, которые создают окружающие нас объекты, и выделить из поступающих к нам сигналов внешней среды именно те, которые имеют для нас информационную зна­чимость. Одна из причин — субъективная значимость объекта для человека. Но помимо этого существуют и физические характеристики объекта, которые позво­ляют нам выделить его из окружающей среды. К их числу относятся количество информации и форма сигнала.

Представьте, что идут занятия в школе. Дети сосредоточены на выполнении задания. Вдруг их внимание было привлечено каким-то звуком. Почему это про­изошло? Видимо, звук, который они услышали, был чем-то не похож на другие. Например, своей пространственной локализацией, или временем воздействия,

а может быть, своими качественными характеристиками или интенсивностью про­явления. Н. Винер считает, что главным отличием информации от шума, который порождают объекты внешней среды, является организация сигнала. Если шум — это хаос, то информация — это организация. Сигнал, воспринимаемый биологи­ческим объектом как информация, имеет определенную пространственную и вре­менную организацию. Мерой этой организации может выступать количество ин­формации, что является количественным аспектом упорядоченности информа­ции. Вместе с тем информация имеет и качественную характеристику. Такой качественной характеристикой является форма сигнала. В качестве иллюстрации приведем следующий пример. Представьте, что вы находитесь в темной комнате. Вдруг на дальней стене начинают светиться десятки ламп. На какие из них вы обратите внимание в первую очередь? Вероятно на те, которые имеют не такую интенсивность свечения, как большинство (количество информации), или на те, которые имеют особую форму подачи сигналов, отличающуюся от окружающих источников информации (качественная характеристика информации). Например, периодическая пульсация, или электромагнитные волны другой частоты, придаю­щие источнику света другой цвет, или расположение источника в стороне от боль­шинства других и т.д.

Однако все приведенные выше примеры и доводы наталкивают нас на один существенный вывод: количественно-качественные характеристики информации есть не что иное, как способ пространственно-временной организации сигнала. По мнению Н. Винера, именно пространственно-временная организация сигнала (упорядоченность) является тем линейным инвариантом многомерного физиче­ского мира, который позволяет добиться тождества между множеством элементов источника информации и множеством состояний носителя информации. Для реа­лизации данного инварианта могут быть использованы всевозможные коды, кото­рые не только позволяют записать многомерную информацию в линейном виде, но и обеспечивают изоморфизм между множеством элементов источника и мно­жеством состояний носителя. В чем суть данного утверждения? Для того чтобы ее понять, приведем пример.

Когда мы с вами рассматривали ощущения, то говорили об их модальности и физической природе раздражителей, способных вызвать те или иные ощущения. В том числе мы рассмотрели природу слуховых ощущений. Как вы помните, раз­дражителем для органа слуха является звук, т. е. акустическая волна, вызванная колебаниями физического тела и свободно распространяющаяся в пространстве. Для нашего органа слуха она имеет вид одномерной, т. е. линейной, величины. Однако, достигнув органа слуха, эта акустическая волна предоставляет нам ин­формацию не только о качественных параметрах звука (например, тембр, высота), но и о пространственных и временных характеристиках его источника. Мы осо­знаем, где в пространстве находится звук, какова длительность его звучания. Поче­му это происходит? Возможность получения подобной информации обусловлена не только физиологическими особенностями строения органа слуха, но и формой организации получаемого нами сигнала, который, имея одномерный вид, несет в се­бе информацию о многомерных характеристиках. Все это вместе и обеспечивает изоморфизм источника информации и состояний носителя информации.

. Что такое изоморфизм? С точки зрения кибернетики, изоморфизм — это прин­цип взаимной упорядоченности двух множеств состояний. Два множества явля­ются изоморфными, если выполняются три условия.

Во-первых, каждый элемент х, принадлежащий множеству Х (хе:Х), может быть однозначно сопоставлен с элементом у, принадлежащим множеству У(г/е У), т. е. элемент х соответствует только одному конкретному элементу у (х —> у и У->х).,

Во-вторых, каждая функция/, которая выражает отношения двух элементов^. и х^ принадлежащих множеству X, может быть однозначно сопоставлена с функ­цией F, которая выражает отношение двух элементов г/;и г/^ принадлежащих мно­жеству У, т. е./—> Ей F—>f. Смысл данного условия состоит в том, что отношение между парой элементов одного множества должно соответствовать отношению в паре элементов другого множества.

В-третьих, должно выполняться условие, которое состоит в том, что еслихе Х соответствует г/; е Y,x^e Х соответствует у^ е У,д^=/С;г)и/—>.Р,тодлявсех;с,г/,/, имеет место: у^ = Т(у). Смысл данного условия заключается в том, что соответ­ствие отношения пары элементов одного множества отношению пары другого множества должно обеспечиваться однозначным соответствием элементов данно­го множества.

Давайте на примере попробуем придать данным условиям психологический смысл. Представьте, что вы воспринимаете горящую свечу. Если в том же поме­щении зажечь еще одну свечу, то вы будете воспринимать две свечи. Это означает, что каждому элементу множества объектов реального мира (х) однозначно соот­ветствует лишь один психический образ (г/), т. е. каждой из свечей, которые вы воспринимаете, будет однозначно соответствовать лишь один психический образ. Следовательно, выполняется условие х —> у и у —> х, т. е. свеча как физический объект и ее психический образ являются психофизиологическими коррелятами. Кроме этого мы воспринимаем степень близости и различия между воспринимае­мыми физическими объектами. Например, местоположение в пространстве, раз­меры объектов и другие физические характеристики. Это означает, что отноше­ние физических объектов реального мира отражается нашей психикой, т. е. суще­ствует аналогичное отношение между психическими образами воспринимаемых объектов. Следовательно, выполняется второе условие изоморфизма множеств:

/—> F и F —> f. Такая степень соответствия возможна лишь потому, что действи­тельно существует полное однозначное соответствие объектов реального мира и их психических образов. Таким образом, физические объекты реального мира и их психические образы являются изоморфными, т. е. наша психика является но­сителем адекватной информации об окружающем мире. Благодаря этому человек как биологический объект получает информацию, необходимую для регуляции своего состояния и поведения..

Однако на практике все не так просто, как это выглядит в наших теоретических измышлениях. Информация, которую мы получаем из внешнего мира, многогранна. Она содержит в себе знания о размерах физических объектов, расстоянии до них, характере их воздействия и о многом другом. Вся эта информация поступает в ви­де определенного линейного сигнала-кода и должна быть декодирована. Причем декодирование соответствующей информации, вероятно, должно осуществляться

Рис. 17.3. Шкалы уровней изоморфизма (по Л. М. Веккеру)

на соответствующем уровне. Поэтому Л. М. Веккер говорит о существовании шка­лы уровней изоморфизма (рис. 17.3). На каждом из данных уровней происходит обеспечение инварианта соответствующей пространственно-временной характеристики источника информации.

Другой вопрос, который возникает перед каждым исследователем проблемы взаимодействия биологического объекта и физического-мира, заключается в том, как происходит перевод информации о физических объектах в психические обра­зы. Каковы биологические и психические механизмы, обеспечивающие получе­ние информации о внешней среде? Рассмотрим общие подходы к решению дан­ных вопросов.