МЕХАНИЗМЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ И ЧЕЛОВЕК

В неврологическую клинику приходит больной. Он не парализован и, получив приказание, может двигать ногами. Тем не менее он страдает тяжелым недугом. Он идет странной, неуверенной походкой и все время смотрит вниз, на землю и на свои ноги. Каждый шаг он начинает с рывка, выбрасывая вперед сначала одну, потом другую ногу. Если ему завязать глаза, он не сможет стоять, он шатается и падает. Что с ним?

Приходит другой больной. Пока он неподвижно сидит на стуле, кажется, что у него все в порядке. Но если предложить ему папиросу, то при попытке взять ее рукой он промахнется. Затем он столь же тщетно качнет руку в обратном направлении, потом опять вперед, и, наконец, его рука станет-совершать лишь быстрые и бесцельные колебания. Дайте ему стакан воды, и он выплеснет всю воду, прежде чем сумеет поднести стакан ко рту. Что с ним?

Оба больные страдают разными формами так называемой атаксии. Их мышцы достаточно сильны и здоровы, но они не могут управлять своими движениями. Первый больной страдает сухоткой спинного мозга (tabes dorsalis). Часть спинного мозга, обычно воспринимающая ощущения, повреждена или разрушена поздними осложнениями от сифилиса. Поступающие сигналы притуплены или даже полностью пропадают. Рецепторы в суставах, сухожилиях, мышцах и подошвах его ног, обычно сообщавшие ему о положении и движении ног, не посылают сигналов, которые центральная нервная система могла бы принять и передать, и чтобы получить информацию о положении своего тела, больной должен полагаться на глаза и органы равновесия внутреннего уха. Физиолог на своем языке скажет, что больной потерял значительную часть проприоцептивных и кинестетических ощущений.

Второй больной не потерял проприоцептивных ощущений – у него повреждение мозжечка, и он болен так называемым мозжечковым, или интенционным, тремором. По- видимому, функция мозжечка – соразмерять мышечную реакцию с проприоцептивными сигналами, и если эта соразмерность нарушена, одним из следствий может явиться тремор.

Мы видим, таким образом, что для эффективного воздействия на внешний мир необходимо не только иметь хорошие эффекторы (исполнительные органы), но, кроме того, действие эффекторов должно находиться под надлежащим контролем центральной нервной системы; показания же контрольных органов должны сочетаться надлежащим образом с другими сведениями, поступающими от органов чувств, образуя правильно соразмеренные выходные сигналы к эффекторам. Нечто подобное мы видим в механических системах. Рассмотрим центральный пост сигнализации на железной дороге. Сигналист управляет рядом рычагов, которые открывают или закрывают семафоры и переводят стрелки. Однако он не может слепо верить, что семафор и стрелки подчинились его приказаниям. Стрелки могли замерзнуть или снег мог согнуть крылья семафоров, и действительное положение стрелок и сигналов семафоров – эффекторов сигналиста – может не соответствовать его приказаниям. Во избежание опасностей, неизбежно связанных с такой возможностью, каждый эффектор – стрелка или сигнал семафора – соединяется с контрольными приборами на сигнальном посту, которые сообщают сигналисту о действительном состоянии и работе эффектора. Это представляет собой механическую аналогию повторению приказов в военно-морском флоте, где по уставу каждый подчиненный по получении приказа повторяет его своему начальнику, чтобы показать, что он расслышал и понял. На основании таких повторенных приказов и действует сигналист.

Заметим, что в это? системе человек участвует в цепи прямой и обратной передачи информации, в цепи, которую мы далее будем называть цепью обратной связи. Правда, сигналист не может действовать полностью по своему произволу; стрелки и сигналы связаны блокировкой, механической или электрической, и не в его золе выбрать гибельные комбинации. Но имеются цепи обратной связи, в которых человек совершенно не участвует. Одна из таких цепей – обычный термостат регулирующий систему отопления дома. Термостат настраивается на желаемую температуру помещения, и если действительная температура помещения ниже, то приводится в действие устройство, которое открывает заслонку печи для усиления тяги или увеличивает поступление горючего и тем самым доводит температуру помещения до желаемого уровня. Если же температура помещения превышает желаемый уровень, то выключается тяга либо уменьшается или прекращается поступление горючего Таким образом, температура помещения поддерживается приблизительно на постоянном уровне. Заметим, что постоянство этого уровня зависит от качества конструкции термостата и что плохо спроектированный термостат может вызвать сильные колебания температуры, подобные движениям человека, страдающего мозжечковым тремором.

< …>

В человеческом теле движение руки или пальца связано с большим числом суставов. Выходное усилие равно векторной сумме выходных усилий всех этих суставов. Мы видели, что, вообще говоря, сложную аддитивную систему такого рода нельзя стабилизировать одной обратной связью. Поэтому при произвольном движении обратная связь, посредством которой мы регулируем выполнение задачи путем наблюдения степени ее выполнения, должна быть поддержана другими обратными связями. Они называются обратными связями позы и связаны с общим поддержанием тонуса мышечной системы. Именно обратная связь при произвольных движениях и подвержена нарушениям и расстройствам при повреждении мозжечка, ибо следующий за этим тремор появляется только тогда, когда больной пытается выполнить произвольное действие. Этот интенционный тремор, при котором больной не может взять стакан воды, не опрокинув его, весьма отличен по природе от тремора при паркинсоновской болезни, или дрожательном параличе (paralysis agitans). Тремор при паркинсоновской болезни проявляется наиболее типично, когда больной неподвижен, и часто, по-видимому, значительно ослабляется, когда больной пытается выполнить сознательно контролируемые действия. Встречаются хирурги с паркинсоновской болезнью, которые вполне справляются с операциями. Паркинсоновская болезнь, как известно, имеет причину не в болезненном состоянии мозжечка, а связана с паталогическим очагом где-то в стволе мозга. Это лишь одна из болезней обратных связей позы, и многие из таких болезней происходят от повреждений частей нервной системы, расположенных в самых различных местах. Одна из важных задач физиологической кибернетики – распутать и локализировать различные части этого комплекса обратных связей произвольных действий и обратных связей поз. Примерами составных рефлексов такого рода служат чесательный рефлекс и рефлекс ходьбы.

 

УПРАВЛЕНИЕ АВТОМОБИЛЕМ НА ПОКРЫТОЙ ЛЬДОМ ДОРОГЕ КАК ПРИМЕР СИСТЕМЫ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

Интересный пример систем обратной связи – управление автомобилем на покрытой льдом дороге. Поведение водителя полностью определяется его знанием, что дорога скользкая, т. е. знанием рабочих характеристик системы автомобиль – дорога. Если он будет ждать, пока найдет эти характеристики, ведя автомобиль обычным способом, то машина забуксует, прежде чем водитель опомнится. Поэтому он дает рулю последовательные быстрые толчки – не такие сильные, чтобы вызвать большое скольжение, но достаточные, чтобы его кинестетические ощущения дали ему знать, не грозит ли автомобилю буксование; соответственно этому он и регулирует свое вождение.

Этот метод управления, который можно назвать управлением с помощью «информативной» обратной связи, нетрудно осуществить в виде механизма, и он может оказаться полезным на практике. У исполнительного органа имеется компенсатор, и некоторая характеристика компенсатора может меняться под внешним воздействием'. На приходящее сообщение накладывается слабый высокочастотный сигнал, и из выходного сигнала исполнительного органа при помощи соответствующего фильтра отделяется некоторая часть той же частоты. Исследуется амплитудно-фазовая зависимость между высокочастотными выходным и входным сигналами, чтобы найти рабочие характеристики исполнительного органа. На основании этого меняют соответственным образом характеристики компенсатора. Структурная схема системы имеет вид:

Этот вид обратной связи выгоден тем, что компенсатор можно отрегулировать так, чтобы обеспечить устойчивость при постоянной нагрузке любого вида; он выгоден также тем, что если характеристики нагрузки меняются медленно (мы назвали такие изменения вековыми) сравнительно с изменениями первоначального входного сигнала и нагрузка измеряется точно, то система не будет склонна к колебаниям. Имеется много случаев, когда изменение нагрузки является вековым в этом смысле. Например, трение орудийной башни зависит от вязкости смазки, которая в свою очередь зависит от температуры; но вязкость не изменяется заметным образом в течение нескольких поворотов башни

Конечно, такая информативная обратная связь будет хорошо действовать только в том случае, если характеристики нагрузки при высоких частотах такие же, как характеристики при низких частотах, или хорошо соответствуют им. Это часто выполняется, если нагрузка и, следовательно, исполнительный орган зависят от сравнительно небольшого числа переменных параметров.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: