Text
                    А.Н. Лук
ИНФОРМАЦИЯ
И ПАМЯТЬ
22 IX СЕРИЯ ФИЗИКА и ХИМИЯ -1965


А. Н. ЛУК ИНФОРМАЦИЯ И ПАМЯТЬ ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ» Москва 1 963
$ П 2.15 Л 84 СОДЕРЖАНИЕ Стр. Предисловие 3 Феноменология памяти , 4 Емкость памяти , , „ 9 Локализация памяти ....,., 13 Механизм памяти 15 Машинная память 17 Память человека и вычислительной машины . . 21 Заключение .23 Автор Редактор И. Б. Файнбойм Александр Наумович Лук Техн. редактор И. Т. Ракитин Корректор В. М. Климачева Обложка В. Янкилевского ■ " ■ ■ / —I— ' ■ Сдано в набор 4/Х 1963 г. Подписано к печати 16/Х1 1963 г. Изд. № 114. Формат бум. 60X90716. Бум. л. 0,75. Печ. л. 1,5. Уч.-изд. л. 1,43. А 11304. Цена 5 коп. Тираж 35 40$ экз. Заказ 2871. Издательство «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4 Типография изд-ва «Знание». Москва, Центр, Новая пл., д. 3/4.
ПРЕДИСЛОВИЕ Память является одним из самых существенных элементов мышленияг и немудрено, что сейчас так много работ физиологов, педагогов, инженеров, врачей и математиков посвящается исследованию процессов функционирования памяти. Психиатр изучает память, поскольку это дает ему в руки возможность диагносцировать психические заболевания и одновременно воздействовать на организм больного направленным образом с целью его излечения. В то же время наблюдения над психическими больными дают в руки исследователей неоценимый материал, позволяющий проникать в механизм памяти. Инженера интересует не столько возможность лечения больных, сколько использование принципов запоминания для совершенствования технических устройств. Впрочем, инженер не оставляет мысли и об активном воздействии на организм с целью лечения психических заболеваний или же увеличения возможностей запоминания и активного извлечения из памяти хранящихся в ней сведений с помощью технических устройств. Математик подходит к исследованию процесса работы памяти с позиций количественного и качественного ее изучения: создание математичесхих моделей памяти, объем памяти, возможности оптимального управления памятью и многие другие вопросы стоят перед ним. Педагога волнует проблема памяти с позиций рационального обучения. Как использовать возможности памяти для быстрейшего и максимально устойчивого приобретения сведений? Насколько сильно можно загружать память новыми сведениями? Не перегружаем ли мы сейчас память детей в школе и не приводит ли эта перегрузка к тяжелым после хстзиям? Как следует учить, чтобы воспитывать наиболее активную память? Чтобы слова иностранного языка или грамматические правила не ложились на память мертвым балластом, а были способны активно работать по мере надобности? Эти и многие другие вопросы волнуют не только педагогов, но и все мыслящее человечество. Мое личное убеждение состоит в том, что мы не используем даже небольшой доли возможностей, заложенных в нашей памяти. И если мы бываем свидетелями умственного переутомления взрослых и детей, то не потому, что мы перегружаем их память новыми полезными сведениями, а потому, что мы до сих пор варварски относимся к ней. Наша память засоряется множеством ненужных сведений, а психика страдает от того, что необходимые знания не укладываются в голове достаточно быстро. Брошюра А. Н. Лука знакомит читателей с некоторыми вопросами изучения процессов функционирования памяти и их моделирования. Хотя автор подходит к памяти только как врач и инженер, не касаясь математических, психологических и педагогических аспектов ее изучения, я надеюсь, что эта брошюра найдет многочисленных читателей и пробудит интерес у молодежи к одной из самых увлекательных научных проблем — исследованию процессов мышления. Академик АН УССР Б. В. ГНЕДЕНКО 3
Феноменология памяти Из многих свойств человеческой психики память с давних пор привлекала к себе внимание философов, психологов, врачей, а в последние годы — инженеров. Интерес исследователей сосредоточивался главным образом на изучении феноменологии памяти, ее общих свойств в норме и патологии. Изучались и другие аспекты памяти—емкость, локализация, механизмы, а также возможность ее моделирования. Врачи давно знают, что память хотя существует и функционирует как целое, но слагается из трех элементов, трех процессов — запечатления информации, сохранения ее и воспроизведения. Это не искусственное деление, не плод досужего вымысла. Такое деление отражает действительное положение вещей. Невропатологам известно, что любой из этих трех процессов может нарушаться изолированно от других. При так называемом корсаковском психозе у алкоголиков наблюдается резкое снижение запечатления, а функция сохранения и воспроизведения не нарушается. Больные с таким расстройством памяти не в состоянии вспомнить, что произошло час тому назад, но отлично помнят события далекого прошлого, воспроизводя их со всеми подробностями. Подобная же картина наблюдается при склерозе мозгрвых сосудов у стариков. Описаны случаи, когда эмигранты, покинувшие родину давным-давно, неожиданно для себя в глубокой старости вспоминали язык своего детства. На основании самонаблюдений многие знают, что воспроизведение — это самостоятельный процесс, который зачастую является самым «узким местом» памяти даже у нормального, здорового человека. Нередки случаи, когда человек пытается вспомнить какой-либо факт, событие, имя, формулу и т. п., но не может этого сделать. Спустя некоторое время факт сам всплывает в памяти. Значит, процесс сохранения не нарушился, а нарушилось только воспроизведение. 4
Об этом же говорят опыты с кратковременной экспозицией рисунков. После двух-трехсекундной экспозиции человек в состоянии воспроизвести лишь немногие из элементов рисунка, однако под гипнозом он отчетливо припоминает все подробности. Очевидно, гипноз может как-то облегчить воспроизведение. С той же целью — облегчить воспроизведение — большинство людей осознанно или неосознанно пользуется мнемоническими, т. е. помогающими памяти, приемами. Мнемоника служит составной частью тренировки памяти, но мнемонические приемы имеют весьма ограниченное применение. Наблюдается и противоположное явление — многократное навязчивое воспроизведение против воли субъекта событий, о которых он не хотел бы вспоминать. Сюда относятся частые случаи назойливого и почти непроизвольного повторения привязавшейся фразы, стихотворной строки или мелодии. Немало примеров этого можно найти в художественной литературе и в личном опыте почти всякого человека. Иногда в патологических условиях воспроизведение удивительным образом облегчается, приоткрывая завесу над некоторыми пока необъяснимыми свойствами памяти. Так, врачи однажды наблюдали девушку, которая в горячечном бреду произносила фразы, не понятные окружающим. Оказалось, что девушка несколько лет работала служанкой у священника — знатока и любителя библейских и древнегреческих текстов. Он часто читал их в подлиннике, и девушка невольно слушала, не понимая смысла. Эти тексты и были воспроизведены в бреду страница за страницей, а по выздоровлении вновь прочно забыты. Известен и другой случай: камердинер испанского посла, лежа в горячке, читал наизусть сложные политические трактаты, проявляя редкую осведомленность в вопросах дипломатии. Выздоровев, он вновь превратился в усердного, но недалекого человека. Разделение памяти на три слагающих процесса — запечат- левание, сохранение и воспроизведение (репродукцию) — оказалось полезным для неврологической и психиатрической клиник, где проводится исследование этих процессов при различных заболеваниях. Однако такая классификация недостаточна. Поэтому различают также уровни памяти. Высшим, самым трудным уровнем считают воспроизводящую память, т. е. ту память, которая позволяет человеку воспроизвести, скажем, формулу бинома Ньютона. Вторым уровнем является опознающая память: человек не может воспроизвести формулу, но если показать ему эту формулу, то он может опознать ее и безошибочно идентифицировать: «Это формула бинома Ньютона». Наконец, третий, самый низший уровень — облегчающая память. Человек не в состоянии самостоятельно вспомнить или опознать формулу, он «забыл» ее. Н© если предложить ему 2871—2 5
выучить ее заново, то потребуется меньше времени, чем если бы он изучал ее впервые. Представление о трех уровнях памяти — воспроизводящей, опознающей и облегчающей — используется в психологии, в частности в психологии обучения. Опыт и специальные исследования показывают, что существуют типы памяти, в которых способность к сохранению и воспроизведению информации зависит от того, по какому каналу эта информация поступает (через органы слуха, зрения и т. д.). Соответственно этому различают зрительную, слуховую, осязательную, двигательную (моторную) и смешанную память. Иногда расчленяют память на словесную (абстрактную) и несловесную, т. е. образную, выделяя еще память, связанную с приобретением двигательных навыков и умений. Но и такого разделения* оказалось недостаточно. Мощный толчок работам по изучению памяти дало развитие электронных вычислительных машин. Для того, чтобы оперировать с информацией, машина должна иметь запоминающее устройство, где эта информация хранится. Но не вся хранимая информация, а только часть ее обрабатывается в данный момент. Значит, информация из запоминающего устройства должна извлекаться и поступать в обработку, где она также не исчезает, а лишь преобразуется. Результаты, полученные после обработки, могут поступать на выход машины для использования их человеком или могут вновь поступать в запоминающее устройство и сохраняться там как угодно долго. Таким образом, в электронной вычислительной машине должны быть устройства длительной Памяти и так называемая оперативная память. Переход информации из длительной памяти в оперативную аналогичен процессу воспроизведения информации у человека. Переход из оперативной памяти в длительную аналогичен переключению внимания и временному забыванию у человека, которое является необходимым условием целенаправленности мышления. В самом деле, решая математическую задачу, человек в это время не вспоминает греческие мифы, трагедии Шекспира или содержание последнего кинофильма. Он временно забывает о них, хотя в надлежащий момент может вернуть их в сферу своего сознания, т. е. перевести из длительной памяти в оперативную. Аналогия между информационными процессами, происходящими в мозгу и в электронной вычислительной машине, настолько очевидна, что возник вопрос, нельзя ли и память человека расчленить на память оперативную и память длительную. Оказалось, что такое разделение вполне правомерно, оно соответствует наблюдаемым фактам. Существуют даже доказательства того, что механизмы длительной и опера- 6
тивной памяти различны. Интересно отметить, что и в машине -блоки оперативной и длительной памяти, устроены по-разному. Оперативная память связана, по-видимому, с циркуляцией импульсов по замкнутым нервным путям. Такую циркуляцию называют иногда реверберацией. Пока она происходит, сохраняется и память о факте, событии, объекте. При отвлечении внимания циркуляция прекращается и происходит забывание. Но если реверберация продолжалась достаточно долго (30—50 минут), то под действием электрических импульсов происходят необратимые изменения в структуре белковых молекул нервной клетки. Структурные изменения в белках нервной клетки — нейрона являются, как предполагают, материальным субстратом длительной памяти. Переход оперативной, т. е. кратковременной, памяти в длительную называется процессом консолидации или закрепления. (При корсаковском психозе, вероятнее всего, нарушен процесс консолидации, поэтому память о событии сохраняется лишь до тех пор, пока на него направлено сознательное внимание). Консолидация — легко ранимая стадия запоминания. Если в процессе консолидации мозг подвергается сильному электрическому раздражению, химическому воздействию (наркоз) или механической травме (удар по голове), то консолидация нарушается, и человек забывает о событиях, непосредственно предшествовавших травме. Что же касается событий, происшедших за 30—50 минут и более до травмы, то память о них сохраняется. Между прочим, это клиническое наблюдение позволило впервые установить продолжительность периода консолидации. После того как завершился процесс консолидации, информация удерживается очень прочно. Никакие физические, химические, механические воздействия, совместимые с жизнью, уже не могут ее искоренить. Даже охлаждение организма до очень низких температур, когда совершенно исчезает электрическая активность мозга, все же не приводит к забыванию событий. При восстановлении нормальной температуры сознание и память возвращаются. Это дает основание некоторым психологам утверждать, что, кроме динамических, существуют еще и статические механизмы памяти. Все высказанные соображения нашли подтверждение в экспериментах на животных. Проводились такие опыты: лабораторных животных (крыс) заставляли пробегать через лабиринт, в конце которого находилась приманка. После 10—12 попыток крысы безошибочно находили путь в лабиринте. Затем, раздражая мозг крысы электрическим током, у нее, вызывали приступ судорог. Если электрическое раздражение наносилось ранее чем через полчаса после пробега по лаби- 7
ринту, то память о лабиринте исчезала, и обучение нужно было начинать снова. Если электрошоковая процедура проводилась спустя 45—50 минут и более, то память о лабиринте сохранялась. Значит, воспринятая информация уже прошла период закрепления (консолидации). В начале периода консолидации электрошок может искоренить эту информацию из мозга. Но постепенно закрепление становится все более устойчивым и уже не поддается разрушению. Процесс консолидации после электрошока восстанавливается не сразу. Поэтому исчезает память не только о событиях, предшествовавших электрошоку, но и о событиях, имевших место непосредственно после шока. Значительно труднее объяснить явление интерференции. Оно заключается в следующем. Спустя полчаса после урока испытуемые, которые в течение получаса ничем не занимались, в состоянии воспроизвести 50—55% изложенного на уроке материала. Испытуемые, которые в течение этого получаса занимались другими предметами, в состоянии воспроизвести лишь 25% изложенного материала. Происходит как бы вытеснение старых знаний новыми. Степень этого вытеснения зависит от того, каким именно предметом занимались испытуемые в течение этого получаса. Эшби в своей книге «Модель мозга» приводит описание ряда психологических проб. Он предлагал испытуемым заучить несколько четырехзначных чисел, а затем давал им второе задание. Спустя некоторое время испытуемые должны были воспроизвести цифры. Оказалось, что наибольшая интерференция наблюдалась в том случае, когда второе задание заключалось в заучивании других четырехзначных чисел. Чем больше сходства имеет новый материал со старым,, тем больше выражено явление интерференции, тем сильнее стирание в памяти ранее приобретенных сведений. Например, испытуемые плохо запоминают позицию фигур на шахматной доске, если после одной позиции им приходится запоминать другую. Очевидно, чем больше сходства имеет новый раздражитель со старым, тем больше шансов на то, что в процесс возбуждения будут вовлечены те же самые нервные элементы — нейроны и межнейроновые связи. Ранее возникшая в них циркуляция импульсов прекратится, начнется реверберация по но'вым замкнутым путям, соответствующим новому раздражителю. В результате оказывается нарушенной консолидация предшествующей информации. Интересным явлением, проливающим свет на многие свойства памяти, служат своеобразные расстройства речи, называемые афазиями. Их изучение представляет огромную ценность,, так как этот эксперимент, поставленный самой природой, не доступен психологу, работающему в лаборатории. 8
Учебники нервных болезней рассматривают афазию *, как важный диагностический признак, позволяющий определить локализацию патологического процесса в мозгу. Нас же интересует механизм афазии, истолкование наблюдаемых явлений, а затем их моделирование. Как, например, объяснить факт избирательного забывания имен существительных, т. е. названий предметов с сохранением представления об их назначении и функции? Это бывает при так называемой амнестической афазии: больной, если ему показывают карандаш и просят назвать этот предмет, говорит: «Это4 то, чем пишут». Убедительно объяснить этот и подобные факты, насколько нам известно, еще никому не удалось. Емкость памяти До сих пор речь шла о некоторых внешних проявлениях памяти, Большой интерес представляют случаи огромной информационной емкости памяти, которая обычно носит избирательный характер. Как правило, обладатели такой емкой памяти в состоянии запомнить какую-либо определенную группу фактов или событий. В отношении других групп их память не проявляет особой цепкости. Историки утверждают, что Цезарь и Александр Македонский знали в лицо и по имени всех своих солдат, т. е. до 30 тысяч человек. Необыкновенной памятью на лица отличался Наполеон. Кустос (хранитель) Ватиканской библиотеки кардинал Джузеппе Меццофанти владел 57 языками. Профессор Московской консерватории Бузони обладал исключительной музыкальной памятью—-запоминал и мог воспроизвести практически все услышанные мелодии. Существуют люди-«счетчики», для которых не представляет труда запомнить даже стозначные числа. Академик А. Ф. Иоффе по памяти пользовался таблицей логарифмов. До последнего времени память можно было описывать лишь качественно, употребляя различные определения: фотографическая, громадная, хорошая, посредственная и плохая. Врачи пользуются также качественными определениями для обозначения расстройств памяти. Развитие теории информации и кибернетики позволило предпринять попытки количественной оценки памяти. Оценка информационной емкости памяти производится в единицах информации — битах. 1 Афазия — расстройство речи, наблюдаемое при поражении некоторых участков одного из полушарий головного мозга. Как правило, при афазии нарушается не только произнесение слов, но и вся система речи в целом. 9
Бит — это единица информации, соответствующая одному возможному логическому решению типа «Да—нет» Ери равной вероятности выбора. Отсюда информационная емкость — суммарное число битов, соответствующее общему количеству логических решений «да—нет». Чтобы ясно представить, о чем идет речь, необходимо знакомство с азбукой теории информации. Мы предполагаем, что читатель знаком с этой теорией хотя бы в общих чертах. Оценку информационной емкости памяти производили многие ученые. Полученные результаты весьма отличаются друг от друга и зависят от избранного подхода к проблеме. Американский физиолог Купер оценивает рабочий объем человеческого мозга величиной 1015 битов. Общее число нейронов коры головного мозга 1010. Следовательно, на каждый нейрон приходится 105 единиц информации. Значительно более скромные цифры дает американский ученый Дж. Миллер: 106—1010. В основу своих расчетов Миллер положил величину 25 битов в секунду — такова средняя скорость восприятия информации человеком, найденная в эксперименте. Если считать, что человек воспринимает информацию 16 часов в день регулярно, скажем, на протяжении 80 лет, то получится 25X3600X16X365X80=4,5-1010, причем это предел, которого обычный человек никогда не достигает. Минимальное количество информации в памяти нормального человека 106—107 битов. Это число получается, если считать, что в памяти человека хранится не менее 1000 объектов,, эквивалентных таблице умножения. Таблица умножения содержит 1500 битов. Некоторые ученые подсчитали количество белковых молекул в нейроне и пришли к выводу, что одна молекула может сохранить 1 бит информации. Полученная цифра информационной емкости носит почти фантастический характер — 1023. Существует другой подход к определению информационной емкости. Исходя из общего числа нервных клеток в коре головного мозга и числа синапсов на каждый нейрон подсчитано, что при 1010 нейронах и 30 синапсах на нейрон емкость памяти достигает 1012 битов. Американский математик Джон фон-Нейман исходил из того, что воспринимающая клетка может обработать 14 битов в секунду. В коре мозга 1010 нейронов. Значит, человек может воспринять 14ХЮ10 битов в секунду. В пересчете на 68 лет (продолжительность жизни человека) это дает 1020—1021 битов, т. е. больше информационной емкости всего фонда библиотеки* имени В. И. Ленина. Трудно сказать, какому из приведенных расчетов следует отдать предпочтение. Нам кажется наиболее приемлемой ве~ ю
личина 1015—1016 битов. Это тоже огромная цифра. Если согласиться с ней, то беспомощно наивными покажутся теории, в которых нейрон уподобляется одной ячейке памяти вычислительной машины. В мозгу человека запечатлена информация двух видов. Во-первых, информация, воспринимаемая в процессе обучения и накопления жизненного опыта. О ней ведется речь. Во-вторых, информация, закодированная в генах и определяющая сложнейшую структуру макромолекул, прежде всего молекул белка, из которых построен организм: информация, определяющая характер и особенности биохомических реакций, протекающих в организме и выражающих его биохимическую индивидуальность. Для этого требуется огромная информационная емкость. Если учесть еще обычную для живых организмов избыточность (8—10-кратную), то цифра 1015—1016 не покажется нереально большой. Кратко резюмируя приведенные оценки информационной емкости, отметим, что у различных авторов они сильно отличаются: от 106 до Ш23. Чем же объяснить столь разноречивые оценки? Какой подход признать правильным? Нам кажется, что эта разноголосица не случайна, а выражает собой закономерное следствие того факта, что теория информации не дает вполне адекватного критерия для оценки человеческой памяти. Теория информации была разработана для электрических систем связи, а не для биологических объектов. Если ее сравнительно легко приложить к явлениям, происходящим в нервном проводнике—аксоне, то применение ее к истолкованию сложных явлений памяти требует усовершенствования, модификации и существенных дополнений самой теории. В частности, нужно научиться оценивать значение данной информации для получателя. Измерение емкости памяти в битах имеет весьма относительную ценность. Им приходится пользоваться, так как другой количественной меры пока нет. Психологи-экспериментаторы высказали ряд интересных соображений, имеющих отношение к нашей теме. Проведя серию опытов и наблюдений, они пришли к выводу, что скорость запоминания сообщения зависит не от его информационной ценности (т. е. от количества содержащейся в нем информации), а только от длины сообщения. Человеку легче запомнить небольшую числовую последовательность, даже если она несет в себе много информации, чем длинный ряд цифр, даже если в нем содержится минимальное количество информации. Сообщения, равные по длине, но содержащие И
различное количество информации, представляют одинаковую трудность для запоминания. Иными словами, определяющим фактором служит число символов в сообщении, а не количество информации на один символ. Отсюда вытекает возможность использования различных форм организации материала. Цриведем пример. Обычный человек не в состоянии запомнить даже ненадолго набор из 15 цифр в двоичной системе исчисления: 101110110101000. Если разбить этот ряд на подгруппы по три цифры в каждой (триады), то можно получить восемь типов триад, которые мы обозначим арабскими цифрами от 0 до 7: 000 (0) 001 (1) 010 (2) 011 (3) 100 (4) 101 (5) ПО (6) 111 (7) Теперь первоначальный набор цифр можно представить, применив кодовые обозначения, в виде пяти цифр: 56650. Запомнить пятизначное число нетрудно. Зная примененный код (т. е. двоичную систему исчисления), можно легко воспроизвести последовательность из 15 цифр. Это простейший случай организации материала. Он лишний раз подтверждает тот хорошо известный факт, что осмысленное заучивание эффективнее механического. Человек постоянно пользуется методом организации материала в своей повседневной деятельности (какой-то объем информации все же необходимо просто запомнить; в нашем примере — это примененный код). Изучая математику, не нужно зазубривать все формулы — иногда достаточно понять и запомнить метод и, пользуясь им, самостоятельно вывести нужную формулу, когда в ней есть необходимость. При изучении иностранного языка незачем заучивать все формы глагола — достаточно запомнить грамматические правила спряжения. Строго говоря, мы здесь имеем не воспроизведение (репродукцию) материала, а его воссбздание (реконструкцию). Вероятно, чем выше интеллект субъекта, тем большее место занимает в процессах его памяти реконструкция материала, воссоздание его. Наоборот, чем ниже интеллект, тем больше роль простой репродукции. Обычные мнемонические приемы также являются попыткой организации материала, но эта организация проводится по совпадению звуков, буквенных или цифровых обозначений и т. п., т. е. по случайным, несуществен- 12
ным признакам. Поэтому роль мнемонических приемов невелика. Организация материала на основании существенных признаков куда эффективнее. Метод организации материала позволяет человеку оперировать огромными количествами информации, экономно используя свою память. Но что такое организация материала? Это его логическое, а не механическое расчленение, сравнение, группировка, обобщение. Иначе говоря, это активный мыслительный процесс. Мы подошли к одному из главных выводов, который напрашивается из сказанного выше: памйть неразрывно связана с мышлением. На каком-то этапе ее можно изучать изолированно, в отрыве от мышления, т. е. формально. Продолжая идти таким путем, мы неминуемо останемся у поверхности явлений и не приблизимся к пониманию их сущности. Память есть органическая составная часть мышления, и только с таких позиций изучение ее буде? плодотворным. Локализация памяти Вопрос о локализации памяти имеет длинную историю. Что память связана с мозгом, в этом никто не сомневается. Но существует ли более детальная локализация? Опыты на животных, а также наблюдения над больными, у которых хирургическим путем удалялся участок мозга, дали богатый и интересный материал, позволяющий прийти к заключению, что память—диффузное свойство всей коры мозга. Нет такого участка коры, удаление которого привело бы к полной потере памяти, а значит, нет и центра памяти. И все же не все участки мозга равнозначны. Существуют области, играющие какую-то преимущественную роль в процессах, обусловливающих память. Этими областями являются височные доли мозга. Поражение их всегда приводит к более или менее выраженным расстройствам памяти. После удаления передних полюсов обеих височных долей остаются глубокие необратимые нарушения памяти. Потеря памяти, как нам кажется, происходит здесь не из-за разрушения фиксирующих структур, а из-за нарушения процесса воспроизведения, т. е. извлечения информации из хранилища. Чрезвычайно поучительны опыты известного нейрохирурга Пенфилда. Эти опыты проводились на операционном столе. По окончании нейрохирургической операции (под местным обезболиванием), прежде чем закрыть трепанационное отверстие в черепе, Пенфилд производил раздражение различных 13
участков мозга слабым электрическим током с помощью небольшого серебряного электрода. При раздражении коры височных отделов мозга у больных возникали воспоминания, сопровождаемые ярким чувственным восприятием зрительных образов и осмысленной речи. Больные как бы одновременно присутствовали в двух ситуациях — настоящей и вспоминаемой. Последняя неотразимо завладевала вниманием испытуемого благодаря своей яркости. Интересно, что таким путем удавалось вызвать у больного воспоминания, которых он не мог вызвать произвольно, причем в них присутствовало огромное число, казалось бы, совершенно забытых деталей. Но даже и эти опыты не дают основания утверждать, что височные доли мозга являются центром памяти, хотя их относительная роль в механизмах памяти, вероятно, выше, чем роль других участков мозга. При произвольном воспоминании роль электрода выполняет какой-то нейрофизический механизм. На лути выяснения и изучения его природы стоят громадные трудности. Рассматривая вопросы локализации памяти, обычно предполагают, что фиксация информации связана с деятельностью нейронов и межнейронных связей — синапсов. Не все согласны с такой точкой зрения. Кроме нейронов, в состав мозга входят и другие, вспомогательные клетки, играющие роль опорных, поддерживающих элементов. Они также принимают участие в питании (трофике) нейронов. Эти клетки называются глиальными, а их функция — опорно-трофической. Недавно была выдвинута гипотеза о роли глиальных элементов в хранении информации. Некоторые ученые полагают^ что хранение информации происходит на стыке нейрона и гли- альной клетки. Все эти гипотезы нуждаются в экспериментальной проверке. Какую часть массы мозга составляет глия? Каково количественное соотношение нейронов, т. е. функциональных единиц нервной системы и глиальных клеток? Методы электронной микроскопии позволяют рассматривать препараты без предварительного окрашивания, которое искажает действительную картину. Они позволили подсчитать,, что глия составляет от 60 до 90% всей массы мозга. Отношение массы глии к массе нейронов (глиальный индекс) выше у животных, стоящих на верхних ступеньках эволюционной лестницы, и достигает максимальной величины у человека. Вот почему некоторые исследователи полагают, что глия принимает непосредственное участие в процессах высшей нервной деятельности, .в том числе памяти. Они рассматривают нейро- глию не как своеобразный каркас, назначение которого—механически поддерживать нейроны и обеспечивать их правиль- 14
ный обмен веществ, а считают, что глия программирует деятельность нервных клеток, формируя поведение, приспособленное к внешним обстоятельствам, к изменениям внешней среды. Роль глии сравнивают с программой вычислительной машины. Без глии работа нейронов стала бы хаотичной, беспорядочной и неэффективной. Глия «указывает» нейронам порядок и последовательность их действий, организует их, как пастух собирает стадо. Поэтому многие исследователи приписывают глиальным элементам функцию хранения информации, т. е. памяти. Механизм памяти Общепринятой теории, объясняющей все явления памяти, в науке нет. Различные теории более или менее удовлетворительно объясняют лишь отдельные свойства памяти. Логическим и экспериментально обоснованным объяснением памяти является условно-рефлекторная теория, разработанная школой академика И. П. Павлова. Русский физиолог А. Ухтомский писал, что следы памяти, каково бы ни было их конкретное содержание, это следы пережитых доминант1. Доминанта может быть вызвана и вновь вступить в поле внимания, как только возобновится адекватный для нее раздражитель. Это физиологическое объяснение процесса. Сейчас его уже недостаточно. Исследователи стремятся проникнуть в глубь явлений и дать объяснения памяти на основе происходящих химических и физических процессов. В соответствии с этим все теории памяти можно схематически разделить на две группы: физическую и химическую. Согласно физическим теориям в основе памяти лежит образование нейронной модели. Модель—это совокупность нервных клеток (нейронов) и их синаптических связей, образующих сравнительно устойчивую во времени группу. Прохождение импульсов через синапсы в пределах модели облегчено тем, что импульсы уже ранее циркулировали по этим синаптическим путям. Это привело к изменению физических .(электрических или даже механических) характеристик синаптических пластинок, т. е. к синаптическому облегчению. Теория образования нейронных моделей исходит из того, что любое событие, происходящее вовне и воспринятое человеком, отражается, т. е. моделируется, в его мозгу в виде какой-то структуры. При этом предполагается однозначное со- 1 Доминанта в физиологии — временно господствующий очаг- возбуждения в центральной нервной системе, который определяет характер^ ответной реакции организма на внешние и внутренние раздражения. 15
ответствие между реальными объектами и их отражением в нервной системе, т. е. код. Это одно из условий объективности человеческого познания. Но нейронная модель — это не просто кодовое обозначение какого-либо объекта или события. Структура модели должна иметь сходство с отражаемым объектом. Возможно ли это? Под структурой мы понимаем части, из которых состоит объект, и способы, с помощью которых эти части вступают во взаимоотношения, — статистические или динамические. Несколько упрощая действительную ситуацию, можно выделить два типа структур — пространственные и временные. Музыкальная мелодия имеет временную структуру, та же мелодия в нотной записи — пространственную. Напечатанная Книга имеет пространственную структуру, а при чтении вслух — временную. Казалось бы, между буквой и ее фонетическим звучанием нет ничего общего. Но произнесенный и напечатанный тексты тождественны в информационном плане. Очевидно, они имеют структурное сходство. В этом смысле можно говорить о сходстве нейронной модели с отражаемым объектом — сходстве не явном, не фотографическом, не зеркальном, а лежащем в глубокой структуре явлений. Большинство химических теорий признает основой памяти перегруппировку белковых молекул нейронов. Из новейших химических теорий памяти наибольший интерес вызывает теория, созданная на основе биохимических работ Л. Сцилларда. Сциллард сам не занимался изучением памяти; его специальность — физика, и имя Сцилларда обычно упоминается в связи с созданием первой атомной бомбы. В послевоенные годы он отошел от физических проблем и выполнил ряд оригинальных работ в той области биохимии, которая изучает ферменты. Фермент — это белок-катализатор, в присутствии которого осуществляется та или иная химическая реакция в живой клетке. Сам фермент создается в организме — синтезируется из «кирпичиков» — аминокислот, причем в образовании фермента участвует целый комплекс химических веществ, который условно можно назвать «ферментообразующим аппаратом». Действие каждого фермента может быть заторможено или вовсе блокировано веществами, которые называют ингибиторами данного фермецта (тЫЪШо по-латыни — «торможение»). Л. Сциллард рассмотрел динамическое поведение системы, состоящей из перечисленных трех компонентов: а) фермента, б) ферментообразующего аппарата, в) ингибитора данного фермента. Ему удалось показать, что эта трехкомпонентная система может существовать лишь в двух устойчивых состояниях. 16
Что это за два устойчивых состояния? В первом состоянии система содержит минимальную концентрацию фермента, второе состояние — это состояние наивысшей концентрации фермента. Все промежуточные состояния — неустойчивы, и система, представленная самой себе, непременно приходит к одному из двух устойчивых состояний. Такие системы Л. Сциллард назвал параконститутивными. Нетрудно в переходе параконститутивной системы от одного состояния к другому усмотреть аналогию с двоичными- ячейками памяти вычислительной машины. В одной клетке (нейроне) может содержаться до 100 00О параконститутивных систем; следовательно, нейрон уподобляется не одной, а 105 ячейкам памяти вычислительной машины. Это вполне правдоподобно: на Ю10 нейронов получается 1015 битов. Цифра совпадает с принятой нами величиной информационной емкости мозга. Приведем теорию, которая пытается объяснить память, привлекая как физические, так и химические факторы. Процесс восприятия раздражителя сопровождается возросшей активностью нейронов и циркуляцией импульсов по замкнутым нервным путям. Прохождение импульсов меняет структуру рибонуклеиновой кислоты (РНК), содержащейся в нервной клетке. РНК специфическим образом изменяет структуру белка нейрона, делая его чувствительным к определенной частоте модуляции. Таков механизм фиксации событий, образование следов памяти. При воспроизведении событий происходит диссоциация белка, и в нейронах освобождаются «передающие вещества», или медиаторы. Тем самым облегчается проведение импульсов через эти нейроны. Вся ситуация аналогична настройке колебательного контура, состоящего из емкости и самоиндукции. Но механизм настройки остается неясным. Нам кажется, что попытка объяснить все многообразие явлений запоминания и воспроизведения с помощью одного какого-то механизма является попыткой с негодными средствами и не может привести к успеху. Скорее всего, имеется много процессов различной природы, реализующих память. Совокупность этих процессов и механизмов в различных сочетаниях и соотношениях создает индивидуальную память человека со* всеми ее неповторимыми чертами, особенностями и нюансами. Машинная память Мы не будем приводить принципиальных схем запоминающих устройств — их можно найти в соответствующих технических руководствах, а остановимся лишь на тех физических явлениях, которые легли в основу сохранения информации в технических накопителях. 17
Существуют запоминающие устройства с ультразвуковыми или акустическими линиями. Они основаны на свойстве звука распространяться в данной среде с определенной скоростью. Одной из главных частей такого устройства служит обычно длинный металлический сосуд с жидкостью — водой или ртутью. С одной стороны сосуд соединен с приемником, который преобразует акустические импульсы в электрические (пьезоэлектрический эффект). Противоположный конец сосуда соединен с датчиком, который преобразует электрические импульсы в акустические (обратный пьезоэлектрический эффект). Запоминание осуществляется таким образом. Акустические импульсы, излучаемые датчиком, распространяются в жидкости. Дойдя до противоположного конца сосуда, они преобразуются в электрические импульсы (на приемнике).Затем электрические импульсы усиливаются и вновь поступают в датчик для преобразования в акустические импульсы. Информация может циркулировать по этому замкнутому кругу как угодно долго. Для считывания нужно с помощью переключателя направить электрические импульсы в другое устройство. Импульсы являются аналогами двоичных цифр, которые позволяют кодировать информацию самого различного характера и содержания. Одна акустическая линия может хранить несколько сот битов информации. Как видим, информация сохраняется динамически, в форме импульсов, непрерывно циркулирующих по замкнутому контуру. Можно создать контур, в котором вместо жидкости используется твердое тело. В основе сохранения информации в этом случае лежит уже не пьезоэлектрический, а магнитострикциоц- ный эффект (т. е. упругая механическая деформация проволоки в магнитном поле). Контур состоит из тонкой никелевой проволоки. На одном конце ее — катушка датчика, на другом— катушка приемника. Носителем информации является импульс тока. Когда он попадает в катушку датчика, то возникает магнитное поле, и в проволоке вызывается магнитострикционный эффект. Упругая деформации распространяется по проволоке с большой скоростью и достигает ее противоположного конца, где находится катушка приемника. В этой катушке по законам электромагнитной индукции наводится электродвижущая сила. Затем, как и в жидкостном контуре, производится усиление электрического импульса, и он синхронно поступает в датчик. Здесь мы тоже имеем непрерывную циркуляцию импульсов в замкнутом контуре, т. е. динамический принцип хранения информации. 18
Конструкция некоторых запоминающих устройств воплощает в себе статический принцип хранения информации. Для такого хранения требуется достаточно большая поверхность, разделенная на небольшие участки—ячейки, каждая из которых может быть в двух состояниях. Одно состояние соответствует цифре «1», другое — цифре «О». При динамическом хранений информацию нужно все время «поддерживать», в противном случае она исчезает (например, при выключении тока). При статистическом хранении информация оказывается очень устойчивой, она не исчезает и может считываться многократно. Главная техническая трудность при создании статической машинной памяти — не в самом хранении, а в обеспечении быстрого записывания, считывания и стирания информации. На практике наиболее эффективными оказались магнитные методы хранения информации. Хранилищем служит специальный лак, в котором взвешены мельчайшие коллоидные частицы окиси железа. Лак наносится тонкой пленкой на поверхность ленты или барабана. Записывающий прибор это небольшая индукционная катушка, через которую проходят импульсы электрического тока. Железное кольцо служит сердечником катушки. В одном месте сердечник почти соприкасается с пленкой, и, когда ток проходит через катушку, небольшая часть поверхности пленки намагничивается. Такое устройство называется записывающей головкой. Его можно использовать и как считывающую головку. В некоторых машинах есть отдельно записывающая и считывающая головки. При считывании необходимо, чтобы лента двигалась — для этого предназначен лентопротяжный механизм. Намагниченное место, проходя мимо сердечника, индуцирует ток в катушке. Этот ток усиливается и является аналогом информации, записанной на пленке. Стирать можно таким же образом: нужно только включить ток противоположного знака. При этом возникает «отрицательное намагничивание», и ранее записанная информация стирается. Магнитное хранение информации осуществляется в двух основных формах: на магнитных лентах и магнитных барабанах. Магнитный барабан представляет собой алюминиевый цилиндр, который вращается со скоростью 60—120 оборотов в секунду. Поверхность его покрыта магнитным лаком. Фиксация и считывание информации происходит с помощью записывающей и считывающей головок, расположенных близко к поверхности цилиндра. Информация записывается вдоль узкой полосы по окружности цилиндра. Плотность записи может быть очень высокой. 40 битов на 1 сантиметр длины. Если диаметр барабана 25 сантиметров, то на одной полосе помещается свыше 3000 19
битов. Но на цилиндре можно поместить не одну полосу, а значительно больше, в зависимости от высоты цилиндра. Допустим, полос будет 40; тогда на барабане будет записано примерно 100 000 (105) битов информации. Преимущество магнитных барабанов ё их механической простоте и в устойчивом сохранении информации; недостаток— сложность оборудования для считывания информации. Эта сложность особенно возрастает при увеличении емкости памяти (т. е. количества полос на барабане). В описанном устройстве поиск нужной информации производится последовательно. Для нахождения иском'ой информации нужно перебрать весь ее хранимый запас — обстоятельство, которое создает ограничение для емкости машинной памяти. Казалось бы, можно, взяв несколько тысяч барабанов, создать огромную емкость памяти машины, но практически эта информация будет лежать мертвым грузом, так как поиск необходимых сведений потребует больших затрат времени. В настоящее время емкость памяти машин достигает 107— 108 битов; время поиска оказывается вполне приемлемым. Выше этого предела время поиска сильно увеличивается. Таким образом, цифра 107—108 характеризует объем оперативной памяти машины. Вдобавок к этому часть информации хранится во внешней памяти машины. Объем ее не ограничен, а наиболее удобный способ хранения—магнитная лента. Она представляет собой целлулоидную пленку, покрытую тем же магнитным лаком. Пленка наматывается на бобину и может храниться как угодно долго. При необходимости ее вставляют в машину и считывают нужную информацию. Поиск ленты можно механизировать. Внешняя память машины иногда реализуется и другим способом, при помощи перфокарт: информация запечатлевается нанесением отверстий на карту. Карта движется между двумя металлическими пальцами; когда между ними оказывается отверстие, то происходит замыкание тока. Стереть информацию при таком методе невозможно. Карты хранятся в специальном шкафу. Имеется устройство для выборки нужной пачки перфокарт. Перфокарты легко дублировать, т. е. размножить, и в случае необходимости несколько видоизменить. Ясно, что использование внешней памяти машины лишает ее одного из главных преимуществ — быстродействия. Перечисленные методы не исчерпывают разнообразия технического арсенала, используемого для сохранения информации. Машинная память может быть реализована даже обыкновенным конденсатором, если считать, что заряженный конденсатор сохраняет изображение единицы, а незаряженный— изображение нуля. Правда, блок памяти, состоящий из конденсаторов, был бы очень громоздким. В современных вычис- 20
лительных машинах используются в качестве запоминающих устройств и электронно-лучевые трубки, в которых реализуется принцип вторичной электронной эмиссии. В наши цели не входит подробное рассмотрение конкретного устройства технических накопителей информации. Мы только хотим подчеркнуть, что одинаковые конечные результаты — запечатление, сохранение и воспроизведение информации — могут быть достигнуты применением совершенно различных физических принципов в разнообразных технических воплощениях. Память человека и вычислительной машины Прежде всего ответим на вопрос, допустимо ли такое сравнение, не является ли оно надуманным, основанным на чисто внешних аналогиях. Мы не предполагаем, что устройство мозга и машины одинаково. И конструкция, и способ функционирования, и энергетические источники — различны. Но в обоих этих устройствах происходят функционально равноценные процессы восприятия, хранения и обработки информации. В мозгу они реализуются физиологическими процессами, в машине — процессами нефизиологической природы. Если мы пожелаем перейти от информационных процессов к их носителям, то здесь мозг и машина окажутся по разные стороны разграничительной линии, отделяющей биологию от технических наук. Мозг принадлежит физиологу и врачу, машина — в компетенции инженера и физика. Но в чисто функциональном отношении сравнение мозга и вычислительной машины вполне оправдано. При записи информации конструкция запоминающего устройства машины и его функционирование не нарушаются. Тем не менее информация запечатлевается лишь при условии, что в запоминающем устройстве произошли какие-то изменения под воздействием поступающей информации. Сигналы информации, являются внешними, случайными по отношению к запоминающему устройству и, не нарушая нормального функционирования элементов устройства, оставляют в нем след. Теперь обратимся к мозгу. Его функционирование включает в себя две группы процессов: процессы, поддерживающие жизнедеятельность мозга, относительно независимые от запоминаемых сведений, и процессы, определяемые поступившей информацией и перерабатывающие ее. Обработка информации, т. е. процесс мышления, происходящий в мозгу, связан с физиологическими процессами мозга, как материальными носителями мысли. В то же время содержание мышления определяется прежде всего характером имеющейся в мозгу информа- 21
цйи. Сюда включаются не только запечатленные образы, но и порядок обработки информации — логическая схема работы мозга. Как и в машине, содержание мышления является по отношению к жизненным отправлениям мозга внешним, случайным. Если сравнить характеристики памяти мозга и памяти машины пункт за пунктом, то мы увидим, что информационная емкость человеческой памяти на 7—8 порядков выше (1015— 1016 битов против 108 битов). Плотность информации, т. е. количество битов на единицу объема накопителя, также значительно выше в биологических системах. Они более компактны. До последнего времени память человека имела еще одно существенное преимущество. Как известно, в мозгу человека информация при повторном извлечении не только не стирается, но, напротив, закрепляется, а воспроизведение ее облегчается. В машине при считывании происходило стирание информации. В последние годы использование ферритовых сердечников и магнитных пленок позволило выправить положение. Теперь и в технических накопителях информация может считы- ваться многократно и при этом не разрушается. Отметим, что техническое моделирование не должно непременно идти по пути копирования биологического механизма: одинаковые конечные результаты могут быть достигнуты применением различных технических средств и использованием различных физических явлений. Продолжим сравнение мозга и машины. В машине запоминание поэлементное, а в памяти человека — ассоциативное. Поясним это. Мы полагаем, что один нейрон может входить сразу в несколько моделей, и потому возбуждение его в составе одной модели может активизировать целый ряд моделей— и одновременно, и последовательно. Этим объясняются иногда весьма причудливые ассоциации: происхождение их не всегда бывает понятно даже самому субъекту, у которого они возникают. Надо полагать, что сформировавшаяся модель не остается неизменной во времени, поскольку нейроны, входящие в нее, продолжают функционировать, вступая в новые связи, образуя новые модели. Отсюда вытекает возможность искажения старой модели, следовательно, возможность искажения действительности в процессе воспоминания. В определенных случаях искажение модели может быть настолько велико, что приводит к ложному воспоминанию, когда вспоминается событие, которое на самом деле не имело места. Этически это нельзя считать ложью, так как искажение произошло на уровне подсознания и субъективно не было воспринято. Искажение действительности в ходе воспоминания 22
интересует не только психологов, но и юристов, так как имеет отношение к добросовестности свидетельских показаний. Ложные воспоминания чаще всего встречаются в патологии, например, у больных, страдающих корсаковским психозом, но бывают они и у здоровых людей. Это еще одно отличие памяти человека от памяти машины. Информационные процессы в мозгу осуществляются в результате физиологических процессов, и это накладывает на них известное ограничение. Хотя не существует прямой, непосредственной зависимости между скоростью физиологических и психических процессов (мы называем их информационными), все же скорость физиологических процессов косвенно устанавливает предел для скорости обработки информации. В технических системах обработка информации реализуется электронными процессами, и потому технические накопители информации обладают более высокими функциональными скоростями, чем память человека. Машина работает в 100 000 раз быстрее. Таким образом, емкость памяти вычислительной машины в 107 раз меньше, а скорость функционирования в 105 раз выше, чем в мозгу. Вот почему извлечение нужной информации в машине хотя и осуществляется путем случайного поиска, происходит все же достаточно быстро. Если бы такой же метод случайного поиска применялся в мозгу, то для его осуществления потребовалось бы в 1012 раз больше времени (107хЮ5): вместо 1 секунды — 30 тысячелетий! Извлечение нужной информации стало бы практически невозможным. Но на самом деле человек может произвольно обращаться к почти любому содержанию, несмотря на огромный объем накопленной информации. Отсюда следует важный вывод: в мозгу существует система обращения к памяти, которая позволяет находить необходимые сведения, не перебирая всю информацию подряд. На наш взгляд, это решающее отличие мозга от современных вычислительных машин, его главное функциональное преимущество. Здесь ключ к созданию мыслящей машины. Без этого ключа легко осуществимое увеличение емкости технических накопителей информации окажется бесполезным. Быстродействие их уже почти достигло предела, и при возросшей емкости памяти метод случайного поиска окажется малоэффективным. Заключение Подводя итоги, кратко сформулируем оснговные положения и выводы, к которым мы пришли. Изучение памяти в лаборатории и клинике ведется давно; накоплен огромный экспериментально-клинический материал, который нужно переосмыслить в свете последних достижений 23
теории информации и электронного моделирования. Но и сама теория информации должна быть усовершенствована и модифицирована. Только в этом случае применение ее к изучению памяти будет полезным и эффективным. Память человека нельзя рассматривать как простое хранилище накопленных сведений. Процесс накопления информации неотделим от обработки ее, т. е. мышления, и является его органической составной частью. В то же время и мышление — одно из звеньев в процессе запоминания материала. Взаимоотношения мышления и памяти — одна из актуальных биокибернетических проблем. В памяти человека хранится значительно больше информации, чем он в состоянии активно воспроизвести или пассивно опознать. Иными словами, потенциальные знания человека выше его актуальных знаний. Воспроизведение—слабое место памяти. Чрезвычайно трудно найти эффективный подход для изучения процесса воспроизведения и воссоздания информации. Зато успехи на этом пути дали бы в руки нейрофизиолога и инженера бесценный материал, который нашел бы, вероятно, применение в работах по моделированию памяти и мышления. Надо оговориться, что для электронного моделирования памяти, обладающей совершенным механизмом произвольного нахождения нужной информации, совсем не обязательно знать, каким образом поиск информации осуществляется в мозгу. Так что работы эти могут развиваться параллельно, взаимно обогащая друг друга идеями и находками.
5 коп. Индекс 70072 ИЗДАТЕЛЬСТВО «ЗНАНИЕ» Москва 1963