Журнал "Здоровье" №4 (88) 1962

Кибернетика и медицина

Действительный член Академии медицинских наук СССР профессор П. К. Анохин

Последнее десятилетие характеризуется бурным развитием науки и техники, рождением новой области человеческих знаний — кибернетики. Она возникла на основе теснейшего контакта между различными специальностями: биологией, физикой, математикой, электронной техникой, телемеханикой, философией.

Без преувеличения можно сказать, что в настоящее время кибернетика — одна из самых перспективных наук. К ней приковано внимание различных специалистов. И это вполне закономерно и естественно. Ведь кибернетика смогла установить логическую связь между такими отраслями знаний, которые на протяжении многих десятков лет развивались своими собственными путями. Предметом ее исследований являются саморегулируемые, самоуправляемые системы независимо от того, принадлежат ли эти системы к живой природе или к области техники. Кибернетика изучает то общее, что есть во всех процессах управления, не подменяя при этом наук, которые исследуют конкретные системы управления — физиологию, вычислительную технику и т. д. Главная цель кибернетики — облегчить труд человека, повысить эффективность его деятельности в управлении сложными процессами, где бы они ни протекали.

Термин «кибернетика» происходит от греческого слова «кибернетос», что значит — управляющий кораблем. Искусство вождения судов связано с некоторыми особенностями. Так, если корабль отклоняется от заданного курса, то «кибернетор», то есть рулевой или капитан, поворачивая рукоятку штурвала, возвращает корабль к заданному курсу. Но при этом судно обычно немного отклоняется в противоположную сторону и только после нескольких таких колебаний правильный курс восстанавливается. На этом простом примере отчетливо виден элементарный принцип управления. Заданный курс корабля является той постоянной величиной, ради которой капитан, получая информацию о направлении движения судна, поворачивает штурвал то влево, то вправо. Здесь налицо, как выражаются теперь кибернетики, «замкнутый контур регулирования». Правда, роль «решающего звена» в этом процессе выполняет человек, его нервная система.

Новое направление в науке завоевало право на существование потому, что создало такой замкнутый контур регулирования, из которого устранен человек. В результате появились сложные механические системы с автоматической регуляцией, неизмеримо облегчающие труд огромного числа людей.

Кибернетические машины, созданные человеком, способны, как и живые организмы, «реагировать» на внешние раздражители и в зависимости от этого изменять свою работу. В настоящее время такие механизмы успешно внедряются в промышленность. Например, существуют специальные автоматические системы регулирования доменного процесса, движения самолета, поезда и т. д.

Кибернетика представляет огромный интерес для физиолога, для врача. Она поможет еще глубже понять наиболее сложную и обширную саморегулирующуюся систему, какой является любой живой организм, в том числе и организм человека, раскрыть причины нарушения деятельности внутренних органов и систем, найти эффективные методы лечения и предупреждения различных заболеваний.

Каковы же наиболее характерные принципы, на основе которых кибернетика объединяет медицину и биологию с физикой, математикой и электроникой? Чтобы ответить на этот вопрос, следует рассмотреть то общее, что в одинаковой степени обязательно для систем управления в технике и в живых организмах.

Десятки и сотни лет ученые исследуют строение и функции организма человека. И сейчас еще до конца не раскрыты основные закономерности таких процессов жизнедеятельности, как обмен веществ, наследственность, мышление и др. Но и то, что уже известно, позволяет сделать вывод: наш организм — это очень тонко и совершенно устроенная биохимическая и электронная лаборатория; по сложности в природе другой такой нет. Если рассматривать отдельно какую-то одну функцию организма, то, по сути, в каждой мы найдем замкнутый цикл саморегуляции.

Возьмем для примера кровяное давление. С какой удивительной точностью у здорового человека поддерживается определенный уровень давления крови. И осуществляет это целая система нервных аппаратов, которая работает автоматически. Специальные чувствительные приборы отмечают малейшие отклонения кровяного давления от нормального уровня и посылают информацию в главный командный пункт — центральную нервную систему. А уже из головного мозга на периферию к мышцам, заложенным в стенках кровеносных сосудов, поступают другие сигналы. Они заставляют мышцы сокращаться или расслабляться, а сосуды при этом суживаются или расширяются. Таким образом, круг замыкается, и кровяное давление в этой саморегулирующейся системе вновь поддерживается на определенном уровне.

Очень тонко устроены нервные чувствительные аппараты, которые находятся в стенках сосудов и неустанно регистрируют уровень кровяного давления. Например, повышение давления всего лишь на 5—10 миллиметров ртутного столба немедленно приводит их в возбуждение. Это возбуждение передается по нервам в продолговатый мозг и буквально бомбардирует сосудистые центры, вынуждая их подавать к сосудам расслабляющие сигналы. В результате кровяное давление очень быстро снижается.

Мы рассказали об одной из функций организма человека, которая регулируется независимо от нашего сознания на основании сигналов, поступающих в нервную систему только из кровеносных сосудов. Эта система замкнута внутри самого организма.

Однако в нашем теле существуют и другие системы саморегуляции, которые распространяют свое влияние во внешний мир, заставляют человека совершать самые разнообразные действия.

Возьмем для примера всем знакомое ощущение жажды. Оно возникает в результате малейшего отклонения от нормы содержания солей в крови — так называемого осмотического давления.

Известно, что осмотическое давление крови является строго постоянной величиной, равной 7,6 атмосферы. Только такое давление обеспечивает нормальное течение процессов обмена веществ между кровью и клетками тканей всех внутренних органов, а также другие жизненные функции. Вот почему эту постоянную величину, исключительно важную для нормальной жизнедеятельности организма, природа защитила очень мощными аппаратами, не допускающими даже малейшего отклонения.

В последние годы ученые открыли везикулярные нервные клетки в головном мозгу (от латинского слова «везикула» — пузырек). Они приходят в сильное нервное возбуждение при малейшей недостаточности воды в кровяном русле. Возбуждение распространяется по всей центральной нервной системе, и человек начинает остро ощущать жажду. Он проявляет удивительную изобретательность, совершает массу действий, чтобы достать воду. Когда вода попадает и организм, а затем и в кровь, «возмущенные» везикулярные нервные клетки приходят в равновесие. Это также подлинно замкнутый цикл саморегуляции. Концентрация солей в крови определяет поведение человека.

Подобное свойство живого организма очень образно охарактеризовал И. П. Павлов. Организм, — писал он, — «в высшей степени саморегулирующаяся система, сама себя поддерживающая, восстанавливающая, поправляющая и даже совершенствующая».

Именно принципы саморегулирования тесно объединяют интересы медицины, физиологии и кибернетики.

В самом деле, в чем состоит главная, центральная задача медицины? Если ее формулировать в весьма общем виде, то она состоит в том, чтобы защитить человека от разнообразных болезнетворных влияний внешней среды, сохранить на определенном уровне наиболее важные показатели организма, обеспечивающие, его нормальную жизнедеятельность. К таким показателям относятся, например, кровяное давление, содержание сахара и кислорода в крови, осмотическое давление крови и т. д.

Эта задача осуществляется самыми различными профилактическими и лечебными средствами. Сюда прежде всего можно отнести улучшение условий труда и быта, оздоровление внешней среды, профилактические прививки против инфекционных заболеваний. Но если человек уже заболел, то врачи с помощью лекарственных препаратов, диеты, режима, хирургическим путем стараются восстановить его здоровье. И в том и в другом случае медицинское вмешательство преследует одну цель: помочь организму человека восстановить нормальную деятельность саморегулируемых систем, которые обеспечивают ему здоровье.

Если же рассматривать любую применяемую в технике кибернетическую систему, то и в ней с помощью различных приспособлений поддерживается полезный результат, заданный конструктором. Таким образом, общие принципы саморегулирования характерны как для кибернетики, так и для медицины. Вот почему эти науки сейчас развиваются в тесном контакте, взаимно обогащая друг друга.

Кибернетика вооружает физиологию совершенной методикой исследования многообразных функций живого организма, физических и химических процессов, протекающих в нем. Например, изучение деятельности нерва с помощью специальной кибернетической аппаратуры дало значительно более широкие представления о его функциях, чем обычный физиологический эксперимент. Применение математической обработки к электрическим потенциалам головного мозга помогло еще глубже проникнуть в его тайны. Так, на основе кибернетических вычислений была сконструирована специальная система приборов, которая обеспечивает автоматическую подачу наркоза во время операции. Система записывает электрические потенциалы мозга больного и, обработав эту информацию, регулирует количество наркоза.

В физиологических лабораториях всего мира ученые начали использовать теорию информации и теорию кодирования для исследования работы органов чувств. Все эти достижения теоретической медицины, навеянные современной кибернетикой, будут развиваться и шириться.

Чем же может обогатить медицина кибернетику?

Современная техника достигла огромнейших скоростей движения, вращения, освободила энергию, хранившуюся миллионы лет в атоме. И тем не менее организм постоянно обогащает и бесконечно пополняет ресурсы кибернетики именно принципами своей организации, которые до сих пор являются недостижимым идеалом даже для самых сложных кибернетических систем.

Мы часто удивляемся тому, что машина может сделать десятки тысяч вычислительных операций в секунду. Но ведь, сидя в кресле у себя дома и вообразив какое-либо событие международного масштаба, происходящее за много тысяч километров от нас, мы проделываем на тончайших структурах своего мозга и в молекулах его вещества десятки миллионов операций в секунду. Именно так было бы правильно сопоставлять мозг и вычислительные машины. Эти машины, хотя и обладают большей скоростью, несомненно, уступают человеческому мозгу в смысле надежности операций, пластичности и их беспредельной сменяемости.

Не удивительно поэтому, что американский математик Норберт Винер, с именем которого связано зарождение новейшей кибернетики, прежде всего стал изучать функции нервной системы в физиологической лаборатории. Нервная система таит в себе столь огромные возможности принципов организации деятельности, что она еще долгое время будет служить источником для подражания, моделирования и совместного исследования ученых различных отраслей знания.

Достаточно сказать, что один из важнейших элементов саморегуляции — так называемая обратная связь — только в последние годы стал тщательно изучаться физиками и математиками. Но обратная связь, свидетельствующая о результатах действия, существует в живых организмах, начиная с первых зачатков жизни на земле, а физиологи ее открыли задолго до возникновения кибернетики.

В различные участки головного мозга собаки вживлены тончайшие электроды. Они воспринимают электрические потенциалы нервных клеток и передают эту информацию на электронную установку. Здесь биотоки мозга усиливаются и записываются на широкой ленте в виде особых линий.

Кибернетика уже сейчас может быть использована для совершенствования здравоохранения. Современные счетно-вычислительные машины облегчат работу не только врача, но и статистика, и организатора здравоохранения. Естественно, это потребует совершенствования знаний всех специалистов, которые будут давать машинам «задания». Но несомненно, что разработанные кибернетикой теория информации, теория кодирования и формы управления сложными процессами открывают замечательные перспективы научной организации медицинской службы.

Сейчас, например, кибернетика настойчиво внедряется в сложный диагностический процесс.

Что такое диагноз? Врач, анализируя какой-то конкретный случай заболевания, должен учесть сотни тонких, часто неуловимых признаков болезни. Он использует современные технические средства — различные приборы и аппараты — для выявления скрытых симптомов. А потом, сопоставляя, исключая и складывая различные симптомы, он воспроизводит образ определенного заболевания. В этом смысле врач уподобляется геологу или географу, которые по небольшим островкам на дне океана стараются представить контуры всего подводного материка.

Может ли кибернетика обеспечить такой сложный процесс? Практика показала, что в какой-то мере распознавание болезней можно «поручить» сложным электронно-магнитным устройствам. Конечно, расчеты эти будут лишь тогда правильны, если правильно составлены задания для машины. Естественно, что никакая машина не в состоянии заменить врача, она только поможет ему в обобщении и анализе многочисленных данных объективного и лабораторного исследования больного.

Несомненно, кибернетика найдет применение и в других областях здравоохранения: например, в области планирования медицинской помощи, прогнозов движения заболеваемости, при разработке различных мероприятий — строительства, оборудования лечебных учреждений, соотношения медицинской помощи с особенностью краевой патологии и т. д. Ведь все эти факторы могут быть математически обработаны, и счетные машины дадут любые сведения с поразительной быстротой.

Трудно кратко изложить самую суть кибернетики, ее общие принципы и практическое применение. Одно можно сказать, что новое направление в науке связало в крепкий узел интересы математика, физика, врача, физиолога, инженера, ботаника, лингвиста и философа.

В Программе КПСС, принятой XXII съездом партии, говорится, что в ближайшее время получат быстрое и широкое внедрение новые типы машин, приборов и аппаратов, связанных с автоматикой и электронной техникой. Развитие кибернетики откроет новые, невиданные горизонты во всех областях человеческих знаний, поможет быстрее претворить в жизнь великие задачи строительства коммунизма.