50лет иппи ран нейрофизиология, биофизика и психофизика в иппи ран: истоки и современность

Конференция состоится 15 сентября 2011 года в Институте проблем передачи информации РАН по адресу Москва, Большой Каретный пер. 19. 6-й этаж.

Начало конференции в 10.00.

.

Программный комитет:

Появление подразделений биологического профиля в ИППИ АН СССР косвенно связано с идеей Н.С. Хрущева разгружать Москву от «непрофильных» для столицы научных учреждений (убрать Институт леса – в Красноярск, Институт пушнины – в Киров, и так далее). Соответственно, в 1957 г. получила мощную поддержку инициатива академиков-математиков (М.А.Лаврентьева и др.) по созданию нового академического научного центра в промышленно развитом Новосибирске. В 1961 г. началось строительство комплекса институтов в Пущине. Когда было выстроено здание Института биофизики АН СССР, встал вопрос о его переводе из Москвы на новое место. Но смена места работы и проживания оказалась приемлемой не для всех подразделений ИБФ.

Лаборатория биофизики зрения, руководимая проф. Николаем Дмитриевичем Нюбергом, решением руководства Академии наук в 1963 г. была переведена из ИБФ АН СССР в ИППИ АН ССР. Этому переходу содействовало личное знакомство Н.Д. Нюберга с А.Н. Колмогоровым – товарищем Н.Д. по гимназии, который и рекомендовал ему обратиться к А.А. Харкевичу – директору ИППИ АН СССР. Тот факт, что Харкевич после первой же их встречи принял решение взять «биологическую» лабораторию Н.Д. Нюберга в свой «инженерно-технический» институт, заслуживает нашего внимания. Насколько соответствовал ее профиль Институту, что привлекательного для самого А.А. Харкевича было в активе лаборатории и делало естественным такое решение?

Лаборатория Н.Д. Нюберга была немногочисленным и весьма креативным коллективом, характерным для эпохи, когда быстро росло участие точных наук в биологических исследованиях. Но биологи отнюдь не доминировали в ней, и назвать ее биологической можно лишь условно: сам Н.Д. Нюберг – доктор физ.-мат. наук, математик, специалист в области цветоведения, цветорепродукции и цветного зрения. Плеяду блестящих экспериментаторов составляли физики М.М. Бонгард, М.С. Смирнов и А.Л. Ярбус, физиолог А.Л. Бызов, энтомолог Г.А. Мазохин-Поршняков, математик М.Н. Вайнцвайг, инженер К.В.Голубцов. Наряду с биологами (И.А. Кнорре, Е.М.Максимова, О.Ю.Орлов, И.Н. Пигарев, Ю.А.Трифонов), активно работали выпускники Московского физико-технического института Г.М. Зенкин, В.В. Максимов и А.П. Петров. И в дальнейшим в лабораторию приходили не только биологи (В.А. Бастаков, Т.М. Вишневская, Т.А. Подугольникова, Е.И. Родионова), но и математики - И.С.Лосев, М.А.Полякова, и физики – П.В.Максимов, П.П. Николаев, Д.П. Николаев, Г.И.Рожкова, В.Е. Щадрин. Уже тогда в активе лаборатории был солидный багаж новаторских физических методов и уникальных результатов. Вот краткий перечень некоторых из них: М.С. Смирновым был разработан метод и построен оригинальный прибор для измерения асферических погрешностей оптики глаза человека (Смирнов, 1961,1971). Современные специалисты по адаптивной оптике – основе ряда современных оптических технологий – ныне почитают это исследование как основополагающий этап своего направления (заметим, что вычисления «пластинки погрешностей», позволяющей компенсировать дефекты оптики, делались с помощью простейшей аналоговой модели – матрицы резисторов!).

Разработанный М.М. Бонгардом метод колориметрии замещения (сравнения цветов во времени, при одновременной регистрации электрической реакции глаза), воплотил мечту Н.Д. Нюберга: сделать колориметр для работы с животными. Этот метод (Бонгард, 1955; Бонгард, Смирнов, 1957) явился развитием восходящего к Г. Гельмгольцу колориметрического принципа исследования цветного зрения; в лаборатории он был успешно использован для пионерских работ по цветному зрению насекомых (Мазохин-Поршняков, 1960; 1962; 1965;) и ряда других животных (Орлов, Бызов, 1962; Орлов, 1971; Бызов, 1971).

Важнейшей задачей того времени было изучение нейрофизиологии сетчатки глаза. «Сетчатка есть часть мозга, выдвинутая на периферию» – этот анатомически совершенно корректный тезис звучал, как популярный лозунг среди всех участников международного фронта исследований. Его подтекстом была мысль, что знание алгоритмов работы и взаимодействия нейронов сетчатки кардинально приблизит нас к пониманию принципов работы мозга в целом. Новаторскую для своего времени задачу изучения сетчатки как объемного проводника поставили и решили А.Л. Бызов и М.М. Бонгард. После этого А.Л. Бызов перешел к систематическому изучению функциональных свойств разных типов нейронов сетчатки и впервые получил целый ряд важных результатов (Бызов, 1971), за что был удостоен медали им. И.М.Сеченова. Регистрация ответов одиночных нейронов с помощью внутриклеточных микроэлектродов, стала возможной благодаря разработке А.Л. Бызовым, М.М. Бонгардом и К.В. Голубцовым лампового усилителя с высоким входным сопротивлением (на катодном повторителе). А.Л. Бызовым был разработан оригинальный автомат для изготовления стеклянных микропипеток – (этот автомат был положен в основу прибора, выпускавшегося ряд лет – без упоминания авторства – Пущинским заводом уникального приборостроения АН СССР!).

Ювелирное мастерство лежало в основе уникальных методик, позволивших А.Л. Ярбусу добиться получивших мировое признание результатов записи движений глаз человека. Совершенствуя технологию изготовления укрепляемых на глазу присосок, Ярбус открыл мир новых феноменов, возникающих при стабилизации изображений на сетчатке (Ярбус, 1965). Исключительную значимость наблюдениям Ярбуса добавляли новые и новые данные по нейрофизиологии сетчатки о том, что многие типы нейронов отвечают только на смену освещения, подтверждая важный общий принцип: видеть, значит различать!

В рассказе об этих достижениях своей лаборатории, Н.Д. Нюберг никоим образом не мог обойти одну из самых близких себе тем – проблемы константности восприятия цвета (Нюберг с соавт., 1971). Эта проблема, поставленная еще Г. Гельмгольцем, касается одной из многих форм инвариантности отображения объектов внешнего мира в переменных условиях наблюдения; в данном случае, речь идет об инвариантности восприятия поверхностной окраски предметов в переменных (по цвету) условиях освещения (из других форм инвариантности в зрении упомянем адаптацию к разным уровням освещенности, стабильность восприятия размеров и формы предметов при удалении, при перемене ориентации, стабильность видимого окружения при собственных активных движениях). Вся эта тематика концептуально близка, чтобы не сказать аналогична, подобным же проблемам восприятия устной речи: инвариантности относительно тембра, темпа, акцентуации; наконец, инвариантность смысла сообщения относительно множества возможных редакций сообщения, не говоря о проблеме сохранения смысла при переводе с языка на язык. Речевая тематика уже была представлена в собственном Институте (лаборатория проф. Турбовича), и прекрасно знакома Александру Александровичу отнюдь не по популярной тогда эйфории касательно перспектив автоматического перевода, распознавания устных команд и зрительных образов (изображений). Поэтому нет ничего удивительного в том, что А.А. Харкевич отнесся с заинтересованным пониманием к тематике, расширяющей фронт близких ему фундаментальных работ.

Аттестация лаборатории Нюберга на тот момент неполна без рассмотрения еще двух направлений, связанных с именами М.М. Бонгарда и М.С. Смирнова; оба касаются линии «лаборатория–ИППИ», и заслуживают отдельного внимания.

Для М.М. Бонгарда едва ли не главным источником интереса к зрению была высокая стабильность ряда психофизических феноменов, что давало возможность моделировать, а значит понять, определяющие их алгоритмы. Примерно с 1959 года интересы М.М Бонгарда сместились со сферы зрения, и он целиком перешел к компьютерному моделированию процессов узнавания как важного (первого) этапа в моделировании (=понимании) процессов мышления. Способность узнавать сходство текущей ситуации (или объекта) и таковой из прошлого опыта он ранжировал как кардинальную, базовую для всякой способности пользоваться прошлым опытом, т.е. для обучения вообще (Бонгард с соавт., 1975). Фактически он переключился на дело своей жизни – понять, как на основе эмпирических данных человеческий мозг строит обобщения – формулирует «законы природы». (Это стало его целью еще в школе, вместе с его одноклассником Ефимом Либерманом, в довоенные годы). Начав с программы, способной находить простейшие математические зависимости в предлагаемых численных образцах, М.М. Бонгард с командой своих единомышленников за сравнительно короткий срок добился практически значимых результатов. О программе «Кора-3», идея которой принадлежит М.Н. Вайнцвайгу (Бонгард с соавт., 1966) Ш.А. Губерман, эксперт в этой сфере, писал мне в 2004 г: «Её писали Мика, Смирнов, Максимов и Петров. За 40 лет она прошла славный путь. Она работала в Нефтяном институте на нефтяных задачах, в Институте прикладной математики АН СССР на медицинских задачах, в Институте физики земли АН СССР на сейсмологических задачах. Она и сейчас на службе и я в неё за 40 лет не внёс никаких изменений. «Кору» переписывали много раз в разные годы, в разных местах, в Союзе и в Америке. Не так давно я видел статью американских геофизиков – они пользовались «Корой», которую мы им дали в 70-х. «Кора-3» абсолютный рекордсмен компьютерного мира и заслуживает книги рекордов Гиннесса».

Трагическая гибель М.М. Бонгарда на Памире в 1971 году оборвала эту линию, следующим важным этапом которой он считал моделирование целостного поведения, планируя придать программе способность ставить самой себе новые задачи (Бонгард с соавт., 1967). В связи с исключительной значимостью работ по проблеме искусственного интеллекта уместно вспомнить, что А.А. Харкевичу принадлежит один из первых вариантов алгоритмического описания механизмов процесса творчества человека (Харкевич, 1973), поэтому устремления М.М. Бонгарда должны были быть ему небезразличны независимо от их прикладного интереса.

Наконец, о «специальных интересах» М.С. Смирнова. Это относится к тематике, лежащей на грани науки в ее привычном, «респектабельном» понимании. Дело в том, что рядом с безусловно достоверным данными порой присутствует некоторый массив свидетельств, заслуживающих внимания, но не обязательно – доверия. Это не только НЛО или снежный человек; это и «парапсихология» – область паранормальных явлений и способностей человека; это и проблема «измененных состояний сознания», и тому подобное. Что здесь, правда, а что – чушь? Всё ли, чему мы не находим объяснения, следует игнорировать? Ответы на такие вопросы требуют тщательной, порой утомительной экспертизы, а серьезность задачи, стоящей перед специалистами по возможным путям передачи информации, может определяться заинтересованностью некоторых компетентных структур. Институту биофизики и ранее приходилось заниматься проблемой «передачи мысли на расстояние», привлекая М.С. Смирнова, как классного физика-экспериментатора, а после перехода лаборатории в ИППИ ему регулярно поручалась экспертиза работ такого плана. Личная проблема М.Смирнова, в моем понимании, заключалась в том, что он никогда не исключал до конца реальности явлений, которым мы сегодня не находим рационального объяснения. Напомню, что в институте А.А Харкевича уже и до того делались опыты по бесконтактной коммуникации между животными (Мирза и Мирзоян, на кроликах). А в свое время обсуждался и вопрос о том, чтобы известную тогда Розу Кулешову (жившую на Урале) принять в штат Института с тем, чтобы сделать доступным разностороннее изучение ее уникальных способностей. Словом, эта тематика «на грани» тоже не была новостью для А.А. Харкевича.

Суммируя, можно с уверенностью говорить, что переход лаборатории Нюберга в Институт А.А. Харкевича никоим образом не был противоестественным или навязанным ему сверху актом. Конечно, новая лаборатория занималась никак не «передачей» информации в живом, а процессами ее глубокой переработки, на уровнях от сетчатки глаза до центральных механизмов восприятия. Но и для самого А.А. Харкевича, с его широким спектром интересов, включавших участие «конечного потребителя» информации – человека – дело не ограничивалось ее передачей.

Не берусь судить, насколько заметным было появление биологической лаборатории для профиля ИППИ в целом. Можно отметить однако, что взгляд биолога на информацию несколько отличен от позиции технариев (термин Б.И. Кудрина), т.е. лиц с материально-техническим или математическим подходом, и заслуживает внимания. Всякое «изделие», любой рукотворный объект имеет свое назначение – он решает ту или иную целевую задачу своего разработчика. В отличие от инженера, биолог имеет дело с миром живых существ, при изучении которых он постоянно, на этапах от эмбриогенеза до целостного организма, сталкивается с присущей им, эндогенной целесообразностью, – каскадом программ (развития, поведения), где информация выступает как один из ресурсов решения задачи. Такой «приземленный» взгляд на информацию, опирающийся на представление о поведении в ситуации, требующей решения задачи, близок к понятию «полезной информации» (Бонгард, 1963), и к позиции А.А. Харкевича, который предложил похожую меру для количественного измерения ценности информации. Одним из ярких примеров плодотворности такого подхода, содержащим много общего с позицией биолога, служит работа В.С. Файна (Файн, 1987), которая затрагивает кардинальную проблему понимания (осмысления) речевого сообщения.

Смирнов М.С. – Биофизика. 1961. Т. 6. С. 687.

Смирнов М.С. Оптика глаза.// //Физиология сенсорных систем. Ч. 1. Физиология зрения. Л. «Наука». 1971. С. 37-59.

Бонгард М. М. Колориметрия на животных // Доклады АН СССР, 1955. Т. 103. № 2. С. 239-242.

Бонгард М.М. и Смирнов М.С. Визуальная колориметрия методом замещения (новая система колориметра для исследования цветного зрения человека). // Биофизика. 1957. Т. 2. С. 119-123.

Смирнов М.С. и Бонгард М.М. Пороговый и колориметрический методы изучения цветного зрения.//Биофизика. 1956. Т. 1. С. 158–162.

Г.А. Мазохин-Поршняков. Колориметрическое изучение свойств зрения стрекоз (электрофизиологическое исследование) //Биофизика. 1959. Т. 4. С. 427-436.

Г.А. Мазохин-Поршняков. Колориметрическое изучение свойств цветового зрения насекомых на примере комнатной мухи.//Биофизика. 1960. Т.5. С. 205-303.

Г.А. Мазохин-Поршняков. Колориметрическое доказательство трихромазии пчелиных (на примере шмелей) // Биофизика. 1962. Т. 7. С. 211-217.

Г.А. Мазохин-Поршняков. Зрение насекомых. М., «Наука». 1965.

Орлов О.Ю. и Бызов А.Л. О работе глаза паука (Aranea). // Биофизика. 1962. Т. 7. С. 70-72.

Орлов О.Ю. Цветовое зрение.// Физиология сенсорных систем. Ч. 1. Физиология зрения Л., «Наука». 1971. С. 246-270.

Ярбус А.Л. Роль движения глаз в процессе зрения. М., «Наука». 1965.

Нюберг Н.Д., Бонгард М.М. и Николаев П.П. О константности восприятия окраски.// Биофизика. 1971. Т. 16. № 2.

Бонгард М.М. Проблема узнавания. М., Физматгиз. 1967.

Ее перевод: Bongard, M.M. Pattern Recognition, New York: Spartan Books, 1970.

Бонгард М.М., Вайнцвайг М.Н., Губерман Ш.А. Извекова М.Л., Смирнов М.С. Использование обучающейся программы для выявления нефтеносных пластов.// Геология и геофизика, 1966, № 6 .

Бонгард М.М., Лосев И.С., Смирнов М.С. Проект модели организации поведения – Животное. // Моделирование обучения и поведения.  М., «Наука», 1975.

Харкевич А.А. Некоторые воззрения на механизм творческого процесса, т. 3. М., «Наука», 1973.

Бонгард М. М. О понятии «полезная информация».// Проблемы кибернетики. Т. 9. М., 1963.

Александр Александрович Харкевич. http://www.iitp.ru/ru/about/136.htm (о мере оценки целесообразности информации, предложенной А.А.Харкевичем).

Файн В.С. Распознавание образов и машинное понимание естественного языка. М., «Наука». 1987.

Функционирование слуховой системы комаров в условиях имитации полёта