В настоящее время ведется интенсивная разработка систем -голографической памяти большой емкости. Возникает вопрос:.могут ли в недалеком будущем такие системы с ассоциативным поиском и с возможностью корректировки отклика приблизиться по параметрам к биологическим системам. С целью анализа и поиска связи между биологическими и когерентными голографическими системами написана настоящая работа.

С незапамятных времен человека интересовали процесса восприятия, работа мозга, сознания, мышления и памяти. Он поражался своими возможностями запоминания, абстрактного мышления. Потому вопроса структуры мозга, работы сознания на протяжении всей человеческой культуры были актуальны. С созданием каждой новой теории, открытием новых явлений человек делал попытку применить их для объяснения собственной творческой деятельности. Сейчас накоплено много данных как в самой науке о мозге - нейрофизиологами, так и в смежных специальностях. Интенсивно изучается микроструктура нервных тканей: аксонов, синапсов, дендритов, нейронов и работа мембран при передаче нервных, импульсов. Нейрофизиологи для изучения работы мозга стали использовать ЭВМ, что не замедлило сказаться на качестве их исследований. С другой стороны, вопросы памяти волнуют кибернетиков, специалистов теории связи и голографии, где структурные особенности регистрации и обработки информации внешне схожи с человеческими. Поэтому объединение усилий специалистов разных областей знаний, работающих в пограничных областях науки, открывает богатые возможности.

1. Особенности голографического процесса

1. Голограмма, фиксируя в виде интерференционной картины дифракцию объекта с когерентным фоном, при воспроизведении восстанавливает полную интенсивность изображения с объемностью за счет точного восстановления фазовых взаимоотношений в волне со всей игрой красок как и в натуральном предаете. Всем известно, что человек таким же образом воспринимает окружающий мир, как его восстанавливает голограмма.

2. Обычно неголографические системы записывают информацию поточечно: точка объекта соответствует точке на изображении. И в случае локальных нарушений регистрирующей среды единичная информация исчезает, что может нарушить причинно-следственную связь. В голографии совершенно другой принцип кодирования: точка изображения изображается совокупностью точек на голограмме, в связи с чем возрастает надежность записи. Аналогичным образом осуществляется запись информации в мозгу, где информация распределяется по ансамблю нейронов. И если до недавнего времени это была рабочая гипотеза нейрофизиологов, то в настоящее время - это экспериментальный факт /1/.

3. Голограмма работает как ассоциативная система. Покажем это: пусть у нас есть два объекта (рис.1) ¦ и g. Голограмма , фиксирует интерференционную картину от двух объектов f и g. Это будет обобщенная голограмма Френеля, т.к. вспомогательный пучок не плоский, а произвольной сложной формы. Для восстановления такой голограммы необходимо в качестве восстанавливающего пучка пользовать излучение одного из объектов - ¦ либо g, и мы увидим изображение объектов g или ¦ , соответственно. Одним из

первых экспериментов по ассоциативному кодированию выполнен в работе авторов Пеннингтона и Колье /2/. На голограмме записывалось изображение со слайда женского лица в шляпке. Восстанавливающей волной служила верхняя часть головы и шляпка (в нашем примере объект ¦ ), которая восстанавливала лицо (объект g). То есть голограмма как бы запоминала образ целиком, а затем по отдельному фрагменту могла вспомнить весь образ. Это явление напоминает нам схему человеческого воспоминания образов, событий, текстов по отдельным их частям, фрагментам. Нами на этом принципе выполнен голографический корреляционный транслятор. В качестве объекта выбиралось слово "Monday" и перевод "Понедельник". Голограмма записывалась в Фурье-плоскости. Если голограмму освещать словом "Понедельник" или частью его, то в выходной плоскости получим слово "Monday". Для увеличения дифракционной эффективности отклика голограммы при записи производилась оптимизация параметров записи: отношение интенсивности пучков ¦ и g и время экспозиции с учетом характеристической кривой фотоматериала голограммы /3/. Результат эксперимента приведен на рис.2. Математическое описание процесса ассоциативного воспоминания выглядит следующим образом. Если транспарант с объектами ¦ и g освещается плоской волной единичной амплитуды, то в фокальной плоскости

линзы функции объектов ¦ (х,у) и g(х,y) будут иметь комплексную амплитуду в виде суммы их Фурье-образов F₁(x ,h ) + F₂(x ,h ). Фотопластинка, работая, как квадратичный детектор, в случае линейной регистрации будет иметь пропускание в виде:

Если осветить голограмму волной с комплексной амплитудой F₁,

то четвертый интерференционный член F^*₁F₂ даст изображение ¦ ₂, т.к. комплексная амплитуда волны в Фурье-плоскости будет F₁F^*₁F₂, а в выходной плоскости пропорциональные обратному Фурье-преобразованию

Используя свойства Фурье-преобразования, можно выражение (2) записать в виде:

То есть комплексная амплитуда выходного сигнала представляет собой свертку g₂(x_3y3) с функцией автокорреляции пропускания ¦ ₁(x₃y₃). Если автокорреляционная функция ¦ ₁ представляет собой d -функцию, то выходной сигнал даст нам изображение объекта g в выходной плоскости (x₃y₃).

При этом необходимо отметить, что смещение объекта f во входной плоскости не нарушает процесс восстановления сигнала g, т.к. работает инвариант Фурье. В процессе человеческого узнавания и воспоминания зрительных и речевых образов также работает некий инвариант, хотя, по-видимому, не такой тривиальный, как когерентный инвариант Фурье. Человеческое восприятие инвариантно к масштабу, сдвигу, повороту и даже к цветности изображения.

2. Модели памяти.

Наиболее интересная модель предложена Д.Габором /4/. Он предположил, что человек при запоминании использует не сам образ, а его свертку, тем самым существенно сокращая необходимое число ячеек памяти, не обходимых для запоминания образа. Пусть запоминается сигнал А(t ), начинающийся при t = 0. Во время t₁ мы записываем интеграл свертки, который и запоминается в долговременной памяти:

где Т полная продолжительность сигнала. Воспоминание осуществляется по части последовательности - фрагменту A'(t₁ - t ). Функция воспоминания R(t) строится как корреляция А' с j :

Второй интеграл, если функция А остро коррелирует сама с собой даст d (t - t) и функция воспоминания R(t)a A(t).

Однако эта модель памяти обладает тем недостатком, что она может вспоминать как вперед по времени t, так и назад. Поэтому Габор разработал вторую модель памяти, основанную на принципе голографии, которая может вспоминать только вперед, как это и делает человек, которому от вспомненного фрагмента (к примеру, стихотворения) воспроизводить назад намного труднее, чем вперед. В новой модели свертка осуществляется не по отдельным частям последовательности,

как в первом случае, а запоминается вся последовательность в некой оперативной памяти, организуется свертка, которая я заносится в долговременную память. И в этом случае не будет инвариантности воспоминания по координате времени t .

Перейдем к голографическим моделям восприятия. Наибольший интерес представляют модели восприятия, объясняющие эхолокацию у таких животных как дельфины, кита, летучие мыши. К настоящему времени накоплено много фактов, которые трудно объяснить на основе классической эхолокации: дельфины воспринимают отраженный сигнал в 2000 раз слабее, чем окружающий фон, км не мешают соседи, излучающие на практически той же частоте, они могут различать предметы по размеру, разница между которыми много меньше длины волны излучения.

Интересно поставить вопрос: может ли человек производить синтез апертуры при восприятии зрительных образов? Учитывая разрешающую способность глаза, человек воспринимает до 10⁶ ¸ 10⁸ бит информации (что соответствует фотографии среднего качества). Если запоминать информацию при перемещении, скажем, на путь в 1 метр, и осуществлять фазирование последовательно поступающих изображений, хотя бы с точностью до 0,1l , то величина только памяти должна быть 10¹³ ¸ 10¹⁵ бит, что превосходит общее количество нейронов у человека. Кроме этого, человек использует некогерентный свет, где понятие фазы волны теряет смысл, и разрешение глаза не может улавливать доли световой волны.

Как представляют себе человеческий механизм памяти и процессы запоминания и воспоминания ведущие нейрофизиологи М.Н.Ливанов /6/ и Н.П.Бехтерева /7/. Наука о мозге различает два вида памяти, кратковременную и долговременную (в нашей терминологии оперативную и постоянную). В жестах на запоминание экспериментально обнаружен? два типа образов-паттернов: развернутого и компрессированного… /7/. Причем вслед за разверстым паттерном появляется компрессированный, сохранивший все опорные элементы развернутого паттерна кода. Время появления и динамика компрессированного паттерна зависит от степени известности." образов. ".Его появление можно расценивать как результат взаимодействия первоначально возникшего (развернутого) паттерна с долгосрочной памятью. Тесты показали, что компрессированный паттерн может быть функционально значимой единицей в механизмах мышления и памяти. Сравнивая развернутый и компрессированный паттерн, можно понять, каким образом долгосрочная, память весьма экономно хранит информацию.". Кроме того, в /7/ указывается, что сам процесс запоминания происходит не мгновенно. Такое запоминание в процессе обучения биологически выгодно, т.к. поступающая информация при этом фильтруется, отбирается, упорядочивается и соотносится с различными смысловыми полями. Впоследствии это облегчает ассоциативный поиск необходимой информация в мозге.

свертки образа и компрессированным паттерном. Но, по-видимому, природа памяти и работа самого мозга лишь потому отвечает голографической модели, что мозг работает как когерентная система. Концепция когерентной модели мозга нашла свое развитие в работах В.В.Чавчанидзе по физике когерентных процессов и систем /8/. Он отмечает, что "…среди физических систем, характеризующихся уникально высоким уровнем когеренции процессов, следует назвать мозг животных и человека. Причем для его деятельности необходимо единовременное (синхронное) срабатывание определенных элементов, разбросанных внутри церебральных структур мозга. А это возможно лишь в том случае, если проводящие пути между ними (аксону и дендриты) срабатывают не по принципу длины связи, а по принципу остаточного числа полуволн. Это означает, что мозг является единым целым для разыгрывающихся в нем явлений, что процессы возбуждения и торможения протекают в нем единым образом.

Тем самым становятся ясными возможность "мгновенных переключении мозга и назначение медленной электрической активности". В этой связи интересно привести высказывание нейрофизиолога М.И.Ливанова /6/, в лаборатории которого "изучались импульсные разряда нейронов при предъявлении кратких световых раздражении с частотой от 2 до 5 герц. Оказалось, что в этом диапазоне световых мельканий происходит легкая и длительно удерживаемая сонастройка нейронов, даже топографически далеко расположенных друг от друга. При этой, вероятно, возникают "сонастроенные" цепочки-сети. Однако, чтобы возбуждение по такой цепочке прошло, нужно, чтобы все ее звенья находились одновременно в синхронной, одинаковой фазе повышенной возбудимости. Эксперименты и показали, что отдаленные, расположенные в разных зонах мозга нейроны действительно "срабатываются" Но как? Возбуждение, как уже сказано, проходит лишь по тем нейронам, проводимость которых в данный момент одинаково повышена. Но эта избирательная проводимость была бы случайной, если не допустить специальной регулировки синхронности (когерентности) а деятельности нейронов разных цепочек.

3. Технические возможности голографических систем памяти /9/

Прежде всего необходимо создать память большого объема (к примеру миллионы страниц информации). И тут специально применяется термин страница информации, а не бит, подразумевая тем самым, что записанная информация готова к выводу в привычном человеку текстовом виде, а не в битовое, где требуется перекодировка. На первом этапе система памяти должна управляться дискретной ЭВМ, в памяти которой записано содержание информации ее адреса в памяти. И в этом плане у голографических систем памяти большие возможности. На рис.3 приведена голографическая система дисковой памяти большой емкости, разработанная в ЛИЯФ АН СССР. Принципиально один диск способен хранить до 10⁵ страниц текста и более. Данная система подготовлена для хранения и оперативного пользования Патентной информации. Функциональные связи в системе следующие. Вначале информация подготавливается на докуматоре, где изготавливается кадрированный негатив текстов на 35 мм кинопленке. Затем информация кодируется т.е. каждому кадру присваивается адрес на диске и индекс классификации в системе МКИ и УДК. Коды поступают в ЭВМ, а ролик пленки подается на запись и автомат записи, управляемый от ЭВМ. Записанный диск устанавливается в читальном аппарате, где пользователь может изучать требуемую информацию на матовом экране и при необходимости получить оттиск нужного документа. Поиск документа

осуществляет информационно-поисковая система, заложенная в ЭВМ. Более подробно работа узлов системы описана в работе /10/.

Такую систему памяти будем называть пассивной. Какова же ее возможности? Внедрение этой системы позволит записать фонд патентов и авторских свидетельств (~ 20 миллионов), что займет несколько сотен дисковых матриц. При объединении их в оперативную систему, управляемую от ЭВМ, получим возможность не только оперативного доступа для поиска и воспроизведения соответствующего документа, что сейчас иначе практически неосуществимо, но и автоматического составления обзоров по отраслевым интересам, что будет значительно экономить интеллектуальный труд.

Однако, это еще не решение задачи. Второй этап - создание активной памяти. Для этого необходимо, чтобы информация не только могла записываться и стираться, но и корректироваться. При этом поисковыми признаками должны быть не формальные признаки типа МКИ и УДК, не позволяющие отбирать информацию с малым шумом, а набор ключевых слов и предложений по возможности сужающих шум при поиске. Решение задачи поиска заложено в принципе в когерентно-ассоциативной возможности голограмм (к примеру, вышеприведенный транслятор). Причем, в силу большой избыточности на голограмме можно записывать не только сам сигнал (текст), но и различные команды обычным естественный текстовым способом, а не в условном коде, как это делается на ЭВМ. Эти команды будут служить дискрипторами при поиске информации. В этом случае уже не имеет значение, в каком разделе науки и техники находится поисковое решение, - оно будет найдено автоматически при наружном введении дискрипторных команд при записи и ассоциативным поиском по всей системе. Введение в такого рода активную память большой емкости обратной связи позволит системе отрабатывать оптимальные решения методом проб в ошибок.

И в заключение приведем различие между человеком и машиной, - которое по Н.Винеру /11/ заключается в том, что "…в организме человека число элементов по порядку величин во много раз больше, чем обладает машина. Из этого непосредственно вытекает, что организация элементов в организме настолько сложна, что при помощи наших современных логических средств ми не можем еще овладеть этой сложностью. Я бы даже не решился дать определение понятия "сложность".

Преимущество человека состоит в его гибкости, в его умении работать с неточными идеями. Это означает, что человек обладает фантазией, другими словами - он создает понятие. Преимущества машины в скорости и точности…".

1. Н.П.Бехтерева и др. Мозговые коды психической деятельности. Наука, Л., 1977.

2.Д.Габор. Nature, 217, 584. 1968.

3. А.Н.Беккер, Н.И.Бухтоярова, К.А.Вейнер, В.П.Горелик, С.Н.Николаев, Б.Г.Турухано. Оптическая обработка информации. Наука, Л., 38, 1978.

4. Д.Габор.Nature, 217, 584, 1968; 217, 1288, 1968.

5. Р.Грегусс. Nature, 217, 378. 1968.

6. М.Н. Ливанова. Наука и жизнь, 10, 88, 1977.

7. Н.П.Бехтерева. Наука и жизнь, 10, 90. 1977.

8. В.В.Чавчанидзе. Проблемы голографии, выпуск 1, М.,

стр.15, 1973.

9. Б.Г.Турухано. Материалы III Всесоюзной конференции по голографии, стр.243. Л., 1978.

10. С.Н.Николаев, В.Г.Толчин, Б.Г.Турухаио. Материалы III Всесоюзной конференции по голографии. Л., стр.241, 1978.

11. Н.Винер. Кибернетика, М., стр.304, 1968.