Принципы функциональной системы как замкнутого физиологического образования с обратной связью были сформулированы в результате изучения компенсации нарушенных функций организма. Для нас ясно, что функциональная система по своей архитектуре аналогична любой автоматической системе с обратной связью. Поэтому изучение свойств и структур различных функциональных систем организма является общей проблемой кибернетики и представляет первостепенный интерес для всех занимающихся этой наукой.
В этом смысле живой организм аналогичен автоматическому устройству, но он имеет неоспоримые преимущества в отношении надежности, экономичности и поразительной гибкости при экстренном выборе разнообразных средств для получения одного и того же полезного эффекта.
Мы рассматриваем функциональную систему как сочетание процессов и механизмов, динамически формирующееся в зависимости от многосторонней оценки данной ситуации и приводящее к конечному полезному для организма эффекту. Таким образом, состав функциональной системы определяется не анатомически (механизмы анатомически могут быть достаточно oi далены друг от друга), а динамически и обусловливается лишь качеством полезного эффекта. Только этот конечный поле жый эффект определяет компоновку системы и все ее функционнро вание, так же как и прекращение этого функционировании при достижении полезного эффекта. Изучение механизмов атой ра боты мозга и составляет предмет нашей работы.
Функциональная система охватывает не только головной мозг, она представляет собой центрально-периферическое обра зование — нервные импульсы циркулируют непрерывно от центра к периферии и обратно.
Некоторые черты архитектуры функциональной системы имеют общее значение как для физиологов, так и для инженеров, поскольку они дают материал для сравнения биологических саморегулирующихся систем с автоматическими устройствами. В связи с этим прежде всего надо сказать о жизненном узле всякой функциональной системы, который неразрывно связывает конечный полезный эффект с аппаратом оценки степени достижения этого эффекта. Достигается это при помощи рецепторов.
Конечный полезный эффект служит задачам выживания организма. Он особенно необходим, когда речь идет о дыхании, уровне кровяного давления, осмотическом давлении крови и других жизненно важных функциях организма. Таким образом, функциональная система, осуществляя процесс саморегуляции, поддерживает жизненно важные константы организма.
Характерным примером функциональной системы является дыхательная система. На этом примере можно уяснить значение жизненного узла. Конечным полезным эффектом системы является поддержание в организме примерно постоянного соотношения парциального давления кислорода и углекислоты. При отклонении от нормального соотношения вступают в действие механизмы, выравнивающие его. Включает эти механизмы специальный рецепторный аппарат. Система хеморецепторов воспринимает отклонения газового состава крови и посылает импульсы в центральную нервную систему. Отсюда по каналам компенсации нарушений дыхательных функций подаются команды, регулирующие дыхательный объем, глубину вдоха, частоту дыхания, состояние периферических сосудов и т.д. Вот это сочетание хеморецепторов, реагирующих на соотношение кислорода с углекислотой, с окислительными процессами в тканях и представляет собой жизненный узел рассматриваемой функциональной системы.
Нетрудно установить аналогию этой системы с автоматическим устройством. В последнем роль хеморецепторов будут выполнять датчики, реагирующие на отклонения от заданного параметра импульсами, подаваемыми к регуляторам. Конечный полезный эффект функциональной системы организма аналогичен программе, задаваемой автоматическому устройству. Таким образом, при изучении функциональных систем организма сразу же возникают аналогии с замкнутыми автоматическими системами. Естественно, что конструкторы автоматических устройств ищут решение своих задач в живом организме. Поэтому совместная работа физиологов и инженеров совершенно необходима. Сравнительная оценка и совместное изучение средств, при помощи которых достигаются желаемые результаты в организмах и в машинах, сулит многообещающие результаты.
Для сопоставления технических устройств с функциональными системами организма, важна и другая черта этих систем — афферентный синтез.
Раньше мы говорили о действии рецепторов как функции одного переменного — соотношения кислорода и углекислоты. Но в действительности эти зависимости выглядят значительно сложнее. Обратимся к тому же примеру функциональной системы дыхания. Хеморецепторы на самом деле интегрируют целую гамму импульсов, выражающих в данный момент потребность организма в кислороде не только в зависимости от соотношения его концентрации и концентрации углекислоты, но и от текущей дыхательной ритмики, и от предстоящих усилий организма для преодоления препятствий, и т.д. В результате этого интегрирования моторный нейрон возбуждается вполне определенным количеством нервных импульсов и дает разряд, состоящий из такого количества импульсов, которое требуется по ситуации. В этом и состоит афферентный синтез.