Биотехнические системы перспективы

3Б
УДК 004.81
А.А. Буриков
Ростовский государственный университет НИИ НК им. А.Б. Когана,
Ростовский государственный педагогический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия
И.А. Каляев, С.Г. Капустян
Научно-исследовательский институт многопроцессорных вычислительных систем
ТРТУ, г. Таганрог, Россия
А.А. Костин
Ростовский государственный университет НИИ НК им. А.Б. Когана
М.В. Севостьянова
Ростовский государственный педагогический университет, г. Ростов-на-Дону, Россия

В настоящее время на стыке многих областей науки и на базе современных технологий появились
новые научные направления. Одно из таких направлений, связанное с созданием «биотехнических
гибридов», вобрало в себя все последние научные достижения в таких областях науки, как
нейробиология, нейрокибернетика, микроэлектроника и др. В статье дается некоторая оценка
достижений в области создания «биотехнических гибридов».

Прогресс привел к возникновению нового направления в науке, целью
которого является создание «биотехнических гибридов». О возможности
появления этого направления достаточно давно говорили фантасты и футурологи
(С. Лем «Сумма технологии», 1968), а некоторые успехи достаточно широко
освещаются в периодической печати и подаются как очередные научные
сенсации. Эта наука, которую следовало бы называть бионикой, возникла, а
правильнее сказать, возникает на стыке многих других наук, таких, как
нейробиология, нейрокибернетика, нейроинформатика, микроэлектроника,
микропроцессоры и их комплексы, микроробототехника и др., впитывая в себя
многие идеи, но ставит перед собой задачу создания биотехнических гибридов,
имеющих определенную практическую направленность.
Задачей нашего сообщения является некоторая оценка достижений
нейробиологии и микроэлектроники для создания биотехнических гибридов и на
некоторых примерах показ перспективы их применения. Следует отметить, что
уровень такой гибридизации определяется целями. Так, возможно включение
биологических систем от биосенсоров до простых нейронных сетей и даже
«мозга» в технические системы или выполнение «технологического улучшения»
природных способностей и возможностей живых организмов за счет их
сращивания с радиоэлектронными устройствами (микрочипами) различного
назначения. В печати широко обсуждается перспектива создания киборгов, когда
в организм человека вживляются различные устройства, позволяющие в
336
«Искусственный интеллект» 4’2002
Биотехнические системы – перспективы
3Б
автоматическом режиме корректировать те или иные функции больного
организма или даже просто получать определенную информацию. Примером
последнего может быть радиоприемное устройство, вставляемое в зуб как пломба,
а информация к слуховой системе человека передается за счет костной
проводимости звука. Возможно и создание биологических гибридов, роль
техники в которых сводится к обеспечению связи и организации управления
составных организмов или коллектива организмов.
В настоящее время для инспектирования и мониторинга окружающей
среды весьма перспективным является разработка и внедрение мобильных
биороботов, создаваемых на основе биоорганизмов, высокочувствительных
сверхминиатюрных сенсорных устройств и управляющих систем (микрочипов).
Для детального инспектирования и мониторинга окружающей среды, помимо
систем наземного и космического базирования, могут быть использованы
биотехнические или бионические системы разной степени сложности. В наиболее
простом случае биообъект может нести систему для прослеживания его
передвижений и необходимый набор искусственных сенсоров для оценки
состояния окружающей среды. В более сложном случае, кроме указанных выше
устройств, имеется ещё одно, контролирующее функциональное состояние
биообъекта: состояние его сенсорной, двигательной, дыхательной, нервной и
сердечно-сосудистой систем. В третьем случае на основе знания о состоянии
биообъекта и законов его функционирования производится не только слежение,
но и управление его состоянием и поведением. Это производится как за счет
автономной (носимой) системы управления, так и центральной системы
управления, взаимодействующей с индивидуумом по каналам связи. Гибридные
системы третьего уровня – это биороботы в полном смысле.

Для создания биороботов крайне важен подбор биообъекта. В качестве
биообъектов для выполнения специфических операций, которые нецелесообразно
или вообще невозможно осуществлять человеку, могут быть использованы
млекопитающие, птицы, рептилии, членистоногие, как насекомые, так и
ракообразные, а также моллюски. Важным фактором при выборе биообъекта
являются те условия среды, в которых биороботу придется функционировать.
С нашей точки зрения, удачным объектом для «работы» на суше и в воде
может быть черепаха. Во-первых, электронная черепаха Грея Уолтера – это
первая система, созданная на заре кибернетики. Во-вторых, черепаха –
неприхотливое животное, способное длительное время обходиться без пищи и
воды. Важно, что различные виды черепах, приспособленные к различным средам
обитания, имеют схожее строение мозга. Общими являются также основные
принципы организации мозга и структура поведенческих актов.
Помимо вполне определённых и известных качеств, которыми обладает
черепаха (способность длительное время обходиться без пищи и воды, достаточно
легко перемещаться с грузом, превышающим её собственную массу), для черепах
характерна устойчивость к радиации, к электромагнитным полям различных
диапазонов, в том числе и СВЧ, и т.д.
«Штучний інтелект» 4’2002
337
Буриков А.А., Каляев И.А., Капустян С.Г., Костин А.А., Севостьянова М.В.
3Б
Черепахи способны решать экстраполяционные задачи, т.е. задачи,
связанные с оценкой положения конкретного, прямолинейно и равномерно
движущегося раздражителя, а также с оценкой его внешних параметров (объём,
форма). Возможно обучение черепах различению разных сигналов и
осуществлению необходимой реакции на тот или иной сигнал. Интересно, что
кроме «традиционных» органов чувств, таких, как зрение, слух, обоняние,
осязание, черепахи, как и некоторые другие пресмыкающиеся, имеют более или
менее специализированные чувствующие аппараты типа терморецепторов
(тепловидение) и так называемый «сейсмический» слух, т.е. сейсмопрогностические
способности прогнозов землетрясений. Доказано, что им действительно свойственно
специализированное восприятие вибраций, чему соответствует особый режим
восприятия и распространения вибрационных импульсов общим контуром
панциря, а также наличие механорецепторов (в частности, виброрецепторов),
способных воспринимать воздействие вибраций и вызывать соответствующие
двигательные рефлексы.


В настоящее время имеются сведения об определённых нервных
механизмах, определяющих организацию: а) текущего функционального
состояния и б) конкретного двигательного поведения.
Функциональное состояние определяется взаимодействием многих
подсистем, в частности, ретикулярной системой продолговатого мозга и
голубоватого пятна, структурами таламуса и гипоталамуса.
В соответствии с теорией многоуровневой иерархической системы
управления движениями она состоит из нескольких уровней. Первый уровень –
уровень палеокинетических регуляций, это спинальный уровень центральной
нервной системы. Второй – это уровень синергий, так называемый таламопаллидарный уровень. Третий – это уровень пространственного поля –
пирамидно-стриарный уровень. Четвертый – уровень действий (предметных
действий, смысловых цепей и т.п.) – теменно-премоторный уровень.
При объяснении поведения существует несколько точек зрения. Первая –
это рефлекторная трактовка поведения. К ним относятся две научные школы –
павловская и бихевиористическая. Обе научные школы объясняют поведение
животных исключительно на основе рефлексов, причем бихевиористы вообще
отрицают наличие сложного врожденного поведения, в то время как Павлов его
признает, но считает цепочками безусловных рефлексов. Лоренц отказался от
объяснения поведения животных исключительно на основе рефлексов. Согласно
его представлениям, базовыми единицами поведения являются инстинктивные
действия, которые он назвал «наследственными координациями» (в англоязычной
литературе – «фиксированные комплексы действий»). Они представляют собой
характерные для каждого вида животных движения постоянной формы. Лоренц
предположил, что в основе этих действий лежит особый механизм, находящийся в
центральной нервной системе (ЦНС), где происходит автоматическая генерация
координированных импульсов, определяющих форму движений. В ходе этого
338
«Искусственный интеллект» 4’2002
Биотехнические системы – перспективы
3Б
процесса (движения) меняется готовность животного выполнять данное действие.
Чем дольше оно не совершается, тем выше его потенциал. При высоком
потенциале действие может выполняться не только в ответ на адекватные
стимулы, но и на менее подходящие, и даже без стимулов. При низком
потенциале действие не выполняется даже при наличии адекватных стимулов.
При повышении потенциала также запускается поведение, направленное на поиск
подходящих стимулов. Таким образом, эта гипотеза удовлетворительно объясняет
спонтанность, активность и направленность инстинктивного поведения.
Согласованность видоспецифических действий с биологической ситуацией
обеспечивает, согласно этим представлениям, «врожденный разрешающий
механизм» – особый нейросенсорный механизм, который на базе врожденной
программы в ЦНС вычленяет из окружающей среды стимулы, специфические для
данного действия – «ключевые стимулы». До их обнаружения этот механизм
блокирует поступление автоматически генерируемых импульсов к мышцам, а
после их обнаружения блокировка снимается.
Исходя из этих представлений, эффективное управление поведением
возможно только при воздействии на достаточно высокий уровень регуляции.
Скорее всего, это уровни запуска команд к началу или прекращению действий и
уровни, когда необходимо «редактирование» определенных движений,
автоматически запускаемых конкретными пейсмекерами движений. Воздействия,
направленные на инициацию движения отдельных конечностей («перестановка
ног»), скорее всего, мало эффективны из-за большой загрузки систем связи, и, что
физиологически более важно, из-за возникновения возможного конфликта
структур спинного мозга с вышестоящими системами управления движениями и
регуляции функционального состояния.
Следует отметить, что развиваемые с 1962 года в НИИ нейрокибернетики
представления о вероятностно-статистических механизмах мозга находят свое
подтверждение и при анализе поведения животных. В основе этих представлений
лежали наблюдения, что определенные нервные клетки в разные моменты
времени могут по-разному реагировать на одни и те же раздражители. Нами
показано, что черепахи в «проблемных ситуациях» случайным образом меняют
свое двигательное поведение. Такое «случайное переключение» направления
движений наблюдалось нами и у муравьев. Схожие результаты показаны
коллегами при изучении поведения кошек, лягушек и даже медуз. «Случайное
переключение» моторных программ позволяет выжить животным.
Рассматривается важная роль биоритмов ЦНС в управлении нейронными
сетями мозга в формировании текущего функционального состояния и
двигательного поведения, особенно если учесть переменный во времени и
пространстве масштаб этого управления. Теория фракталов и странных
аттракторов дает аппарат для управления двигательным поведением.
На первом этапе для управления двигательным поведением была выбрана
многоканальная электрическая стимуляция, параметры которой задавалась по
проводам или радиоканалу ЭВМ.
Многоканальный «интеллектуальный» стимулятор крепился к панцирю
животного. Электроды вживлялись в отделы, отвечающие за те или иные
локомоторные функции: 1) структуры спинного мозга, 2) ретикулярную
формацию продолговатого мозга; 3) стриатум; 4) средний мозг. Электроды
«Штучний інтелект» 4’2002
339
Буриков А.А., Каляев И.А., Капустян С.Г., Костин А.А., Севостьянова М.В.
3Б
толщиной 0,05 мм были изготовлены из нихрома и по всей длине, кроме
конечного отрезка, покрыты стеклом или лаком.
Параметры подбирались на основании анализа визуальной информации.
Вторым важным фактором выступала биологическая обратная связь.
Учитывалось текущее функциональное состояние и состояние моторных систем
биологического объекта.
Исследования проводились в лабораторных условиях на горизонтальном
полигоне 1,5х1,5 м без препятствий или на тредбане; и «спонтанное», и вызванное
поведение животного контролировалось с помощью двух видеокамер,
обрабатывалось ЭВМ. На ЭВМ формировались паттерны стимулов для
реализации конкретной программы движений.
Были отработаны следующие режимы управления функциональным
состоянием в континууме «активность-покой»: старт с положения неподвижного
бодрствования; движение по прямой; повороты вправо, влево; манежные
движения. Показана возможность прохода животного по заданной траектории.

Таким образом, можно говорить о перспективах использования черепах
при создании биороботов с целью осуществления определённых действий при
появлении тех или иных сигналов, а также о перспективах управления моторным
поведением черепах на природных ландшафтах с целью инспектирования и
мониторинга окружающей среды.
Now on the junction of many science areas and on the basis of modern technologies the new scientific
directions have appeared. One of such directions is linked to creation of «biotechnical hybrids», which
was incorporated all last scientific achievements in such science areas as neuro-biology, neurocybernetics, microelectronics and et al. In this paper some rating of achievements in the field of creation
of «biotechnical hybrids» is given.
Статья поступила в редакцию 26.07.02.
340
«Искусственный интеллект» 4’2002