В УПРАВЛЕНИИ ПОВЕДЕНИЕМ ЧЕЛОВЕКА

Т. Смит", К. Смит²*

Теоретические и экспериментальные исследования в области поведенческой и физиологической кибернетики раскрывают процессы обратной связи или саморегуляции поведенческих и физиологических функций. Основной интерес представляют те реципрокные, регуляторные, опосредствованные мозгом взаимодействия между моторным механизмом и рецептором, в которых обратная связь от рецептора управляет моторным ответом и сама регулируется им. Фундаментальные свойства этого взаимодействия — динамичность, замкнутость контура управления, саморегулируемость и непрерывность действия. На рис. 10.1, а представлена типичная ситуация, где мышечная активность вызывает самостимуляцию рецепторов. Как показано на рис. 10.1,6, мышечная активность служит и для регуляции источников внешней стимуляции.

Посредством обратной связи мышечная активность не только осуществляет регуляцию внешней среды, но и производит различные виды физиологической обратной связи, которые воздействуют на все уровни жизненной огранизации, как-то: биоэнергетические, метаболические, органические и мозговые функции. Управление производством биоэнергии и внутренними висцеральными функциями посредством мышечной обратной связи представлено на рис. 10.2.

10.1. Происхождение понятия «обратная связь»

Около 100 лет назад было обнаружено, что живые системы обладают некоторой способностью саморегулировать свою активность. Объясняя устойчивость состояний живых организмов, Пфлюгер утверждал, что «причина любой нужды живого существа является также причиной удовлетворения этой нужды» [112]. Фредерик также привлекал внимание ученых к проблеме биологической саморегуляции: «Живое существо органи-

'> Т. Smith, Simon Fraser University, Burnaby, British Columbia. ⁴ K. Smith, University of Wisconsin, Madison, Wisconsin.

Механизмы обратной связи

Рис. 10.1. Типы регуляции сенсорного входа посредством мышечной обратной связи, а — самогенерация сенсорного входа; б — управление внешним сенсорным входом.

зовано таким образом, что каждое возмущающее воздействие само по себе вызывает последующую компенсаторную активность для нейтрализации возмущения или восстановления функций» [44].

Эти первые рассуждения относительно биологической саморегуляции основывались на работе Бернарда [22], в которой подчеркивалось значение внутренних условий для установления и сохранения стабильных состояний организма: «Именно стабильность внутренней среды — условие свободной и независимой жизни, и единственная задача всех жизненных механизмов, как бы разнообразны они ни были, состоит в сохранении устойчивых внутренних условий жизни».

488 Глава 1 0

Рис. 10.2. Типы регуляций производства биоэнергии, органического метаболизма и висцеральных функций посредством мышечной обратной связи.

10,1.1. Гомеостазис и гомеокинезис

Термин «гомеостазис» был предложен [33] для описания внутреннего постоянства; он обозначает координацию физиологических процессов, поддерживающих большинство устойчивых состояний организма, Кэнной писал [33]: «Сохранение устойчивого состояния происходит потому, что любая направленная На изменение тенденция автоматически встречается с повышением эффективности фактора или факторов, которые противодействуют изменениям»,

Термин «гомеостазис», предполагающий равновесие, устойчивые состояния и стабильность, дает упрощенную картину физиологической интеграции. Хотя такие факторы, как температура, концентрация Водородных ионов и электролитическая концентрация, являются относительно постоянными, большинство условий, если не все, меняются (часто в широких пределах), а механизмы регуляции этих условий являются динамичными и Высокоизменчивыми. Нам представляется, что термин «гомеокинезис» точнее описывает изменчивый баланс, ки-

Механизмы обратной связи

нетические характеристики и общие процессы управления большинства биологических систем, состояний н механизмов. Что касается механизмов поведения, то реагирующий организм в процессе жизни скорее предрасположен к динамике, чем к статике, к тому, чтобы вести себя в постоянной и целостной манере. Организация поведения зависит от постоянного движения, которое порождается самими двигательными системами. Это справедливо как для физиологических механизмов, так и для поведения. Все живые существа саморегулируют свою активность путем непрерывного динамического управления как источниками стимуляции, так и ответами на входные стимулы.

10.1.2. Поведенческая и физиологическая кибернетика

Саморегуляция в живых системах опосредуется механизмами обратной связи. Термин «обратная связь» впервые был использован в электротехнике для описания автоматического управления машинными операциями. Этот термин относился к возвращению сигнала обратной связи с выхода машины на i вход для корректировки ее операций. Винер [208], осознав сходство между таким текущим контролем в механических и живых системах, ввел термин «кибернетика» (от греческого слова kybernetes, или «кормчий»), который относится к изучению руководства или управления с обратной связью как в живых, так и в неживых системах. В кибернетической аналогии, принятой Винером, поведение и физиологические механизмы рассматриваются как системы управления, которые как саморегулирующиеся, использующие обратную связь автоматы производят некоторое действие, вызывающее изменения в окружающей среде, и корректируют или модулируют это действие с помощью информации, поступающей по каналам обратной связи.

Кибернетическая аналогия Винера создала основу для рассмотрения поведения и физиологических функций на основе модели сервомеханизма. Сервомеханизм состоит из трех основных компонентов: 1) механизма действия (ответ), 2) детектора обратной связи (стимула) и 3) регулятора или компьютера, который преобразует сигнал обратной связи в корректирующее действие. Таким образом, любая система, функционирующая как сервомеханизм, обладает тремя основными свойствами: 1) генерирует движение к цели по определенному пути, 2) обнаруживает ошибку путем сравнения реального действия с правильным путем, 3) использует сигнал ошибки для изменения направления действия, Такая модель компенсаторного действии

490 Глава 1 0

с отрицательной обратной связью описывается в большинстве инженерно-психологических работ [81].

Управление с отрицательной обратной связью — лишь один из механизмов регуляции поведения и физиологических функций. Модели замкнутого контура управления включают также положительную обратную связь, а также положительную и отрицательную упреждающую связь. При управлении с положительной обратной связью начальное возмущение в системе, вызывает серию событий, направленных на усиление возмущения. Например, пусть имеется некоторое число метаболических и эндокринных путей, где производство определенного продукта повышает последующую скорость производства этого продукта. Теоретически и экспериментально может быть показано, что при отсутствии контроля над системами с положительной обратной связью они являются нестабильными и подвержены сильнейшим колебаниям. Однако в поведенческих и физиологических системах механизмы положительного и отрицательного управления обычно взаимосвязаны, так что в конечном счете эти колебания контролируются.

При управлении с упреждающей связью информация об обнаружении ошибки или возмущения поступает в систему заранее, что позволяет положительно или отрицательно регулировать ее состояние через некоторый промежуток времени. Примером из области поведения может быть зрительно-моторное слежение (например, стрельба по движущейся цели). Если цель рассматривается как неподвижная (ситуация с отрицательной обратной связью), то промах неизбежен. Использование текущей траектории движения цели (начальное возмущение) для определения ее положения в пространстве через 1 или 2 с позволяет прицелиться в нужную точку. Самый наглядный пример управления с помощью упреждающих связей — способность человека планировать время.

Поведенческая и физиологическая кибернетика основывается на экспериментальном исследовании механизмов обратной и упреждающей связей в поведении и физиологическом функционировании, а не на абстрактных концептуальных и математических моделях. Модель отрицательной обратной связи неадекватна в отношении ко многим взаимодействиям с участием обратной связи как на элементарном, так и на высоких уровнях системы управления в организме человека, на которых основывается важное явление биологической адаптации. Управление с участием обратной связи может принимать форму многих систем и основываться на множестве количественных способов положительного регулирования помимо обнаружения различий и ошибок, как-то: регуляция порядка, последовательности, сложения, разделения, развития, размножения, интегра-