На смену рефлекторной парадигме, успешно развивавшейся от Декарта (1596 – 1650) до Павлова (1849 – 1936), пришла парадигма активности животных, начало которой было положено  классическими трудами Н.А.Бернштейна (1896 – 1966). Значимость и новизна для естествознания исследований Бернштейна и разработанных им методов исследований  были отмечены уже в 1933 году академиком А.А.Ухтомским, писавшим, что  они сравнимы с тем, что дал естествознанию метод микроскопирования, разработанный Левенгуком и Мальпиги. 

Животное – не не только и не столько реактивное существо, действия которого являются просто ответами на ранее поступивший стимул, а активное существо, действия которого направлены на достижение определенного результата. Образ этого результата закодирован  в нервной системе – «модель потребного будущего» Бернштейна. Любому действию предшествует формирование модели (образа) того, что должно получиться в результате этого действия. 

Идеи физиологии активности нелегко пробивали себе путь к признанию.  1950-е годы, и даже ближайшие годы после смерти Сталина, были очень тяжелыми и для Бернштейна. Его лаборатории были закрыты, его статьи не принимали к публикации. Он сидел в своей комнате в коммунальной квартире и работал над созданием физиологии активности, а зарабатывал реферированием и рецензированием  иностранной физиологической литературы. И вот только в 1961 году появилась возможность опубликовать большую (60 страниц) статью «Очередные проблемы физиологии активности» (написанную Бернштейном еще в 1958 году). Статья была опубликована в 6 выпуске «Проблем кибернетики», редактором которого был математик  А.А.Ляпунов.  В этой статье уже намечена идея о необходимости предвосхищения будущего в осуществлении движений. Бернштейн (1961, стр. 138) пишет: «Неизбежным становится вывод, что, говоря о программе двигательного акта в целом, мы не находим для нее другого определяющего фактора, нежели предвосхищенный образ того результата, на который нацеливает субъекта осмысливание определившейся  двигательной задачи». 

В 1962 году Бернштейн пишет в статье «Новые линии развития в современной физиологии»: «Самым своеобразным  и характерным из того, с чем сталкивается физиология при обращении к проблеме активности, является то, что очередная задача действия, сформулированная особью  «изнутри» с учетом текущей ситуации, но без механической обусловленности ею, необходимым образом строится как своего рода экстраполяция будущего: целесообразно спрограммировать  действие возможно только на основании определенного образа или модели того, к чему действие должно привести, и ради чего оно предпринимается. Но так как предстоящее может быть расценено или предвидено не иначе как в порядке вероятностного прогнозирования (удачный термин И.М.Фейгенберга), то ясно, что подход к анализу всех вскрывшихся здесь физиологических процессов должен основываться на теории вероятностей и ее новейших ветвях». 

Вероятностное прогнозирование  стало предметом пристального исследования автора этой статьи (Фейгенберг, 1966). Понятие вероятностного прогнозирования прочно вошло в физиологию активности. Бернштейн (1990, стр. 438) четко указывает место вероятностного прогнозирования в физиологии активности: «...мы имеем перед собой два связанных процесса. Один из них есть вероятностное прогнозирование по воспринимаемой текущей ситуации… Наряду же с этой вероятностной экстраполяцией хода окружающих событий (каким он был бы при условии «невмешательства») совершается процесс программирования действия, долженствующего привести к реализации потребного будущего».

Чтобы действие оказалось быстрым и точным, организм заранее, до необходимости выполнения действия, готовится к этому действию – осуществляет преднастройку, подготовку к предстоящему действию тех систем, которые должны будут осуществлять действие. Так, спортсмен, ожидая сигнал на начало бега, принимает соответствующую позу, подготовив к быстрому действию те мышцы, которые должны будут реализовывать бег по предстоящему сигналу. Действия в ответ на какой-либо сигнал осуществляются гораздо быстрее, экономичнее и чётче, если заранее прогнозировалось с высокой вероятностью появление этого сигнала и была осуществлена преднастройка, мобилизация именно тех органов (например, мышц), которые должны будут осуществлять действие – и только этих мышц (отсюда экономичность действия). Сигнал к действию, возникший внезапно, без предварительной (опережающей пусковой сигнал) преднастройки, ведет к неловкому, недостаточно быстрому и нечеткому  выполнению действия. 

Прогнозирование будущего основывается на памяти о прошлом – о том, как и с какой вероятностью изменялась в прошлом ситуация, подобная той, которую организм  видит сейчас.

Как же организована память о прошлом, обеспечивающая вероятностное прогнозирование будущего? Какова природа преднастройки, заранее обеспечивающей быструю, экономичную и точную реакцию, адекватную прогнозируемой предстоящей ситуации? Как зависит сама реакция (например, ее быстрота) от того, насколько точным было вероятностное прогнозирование?

Этим вопросам и будет посвящено дальнейшее изложение.

Итак, действию предшествует формирование модели того, что должно получиться в результате действия, и прогнозирование появления той ситуации (сигнала), которая потребует начала  целенаправленного действия.

Откуда же может появиться прогноз предстоящего, еще не существующего будущего? Он может появиться в результате имеющейся информации о ситуации, существующей  на данный момент, и памяти о том, какие ситуации и с какой вероятностью следовали за подобными ситуациями в прошлом.

Таким образом, действия осуществляются по схеме «видеть – предвидеть – действовать». Видеть имеющуюся ситуацию; предвидеть – какие ситуации и с какими вероятностями могут последовать за ней; осуществить преднастройку к действиям, наиболее вероятным в предстоящей (прогнозируемой) ситуации;  реализовать действие. 

*     *     * 

Классический рефлекс состоит в ответном действии (Action)организма на поступивший перед этим стимул (Stimulus). Действия организма адекватны характеру стимула. Схематически это можно изобразить так: 

                                           S – –  A (S)

(например: укол – отдергивание лапы; пища во рту – выделение слюны). 

Существенно иная структура у Павловского условного рефлекса.

После многократного повторения ситуации, когда после стимула S1 обязательно идет стимул S2, требующий адекватной этому стимулу реакции A(S2), организм реагирует после стимула S1 реакцией (действием), адекватным стимулу S2, опережая появление самого стимула S2. Схематически изобразим это так: 

                                        S1  – - A (S2)  – - S2

В школе И.П.Павлова при выработке условного рефлекса после условного стимула (S1) oбязательно следовал безусловный стимул(S2), который ведет к регистрируемой экспериментатором реакции. Стимул (S1) первоначально к такой реакции не ведет. В отличие от классического рефлекса, в условном рефлексе характер реакции не соответствует предшествующему реакции стимулу (S1), а соответствует еще не наступившему, но прогнозируемому с высокой вероятностью стимулу (S2). Реакция, соответствующая стимулу (S2),опережает появление самого этого стимула (или ситуации). 

                                       S1  – - A2  – - S2

На основании прошлого опыта организм предвидит, прогнозирует появление ситуации S2 и, не ожидая ее возникновения, реагирует адекватно этой ситуации (опережая тот момент, когда эта ситуация должна возникнуть). В школе Павлова безусловный стимул обязательно следовал за условным стимулом. Для экспериментов была даже построена звукоизолированная «башня молчания»  –  чтобы в  ходе эксперимента не появился не предусмотренный экспериментатором стимул.   При этом, естественно, прогнозирование появления безусловного стимула после появления условного стимула было абсолютным. Он прогнозировался с вероятностью 1.                                       

S1  – - Prognosis S2  – - A2

                                      (Prognosis – по-гречески – предузнавание). 

В отличие от Павловских исследований, мы решили проверить в эксперименте, какие действия предпринимает человек в случае вероятностного  (не обязательного) появления стимулов, следующих в случайной последовательности с определенными вероятностями. Ведь в реальной жизни это бывает именно так. 

Приведем здесь коротко результаты одной из нескольких серий проведенных экспериментов

Перед испытуемым в случайной последовательности появлялся один из двух световых сигналов. Обозначим эти сигналы буквами А и В. На каждый  из них надо было быстро нажимать на одну из двух кнопок – в зависимости от того, какой из сигналов (А или В) появится. Регистрировалось время реакции (в миллисекундах).

Последовательность сигналов была случайной, но вероятность появления сигнала А была вдвое больше, чем вероятность появления сигнала В. Среднее время реакции на сигналы А оказалось примерно в два раза более коротким, чем среднее время реакции на сигналы В.

Может быть дело в том, что сигнал А был более частым, чем сигнал В? (Такой точки зрения держались некоторые физиологи и психологи).

Для проверки этого была проведена серия аналогичных экспериментов, но последовательность сигналов составлялась так, что повторялась  одна и та же группа из 6 сигналов:

              АААВАВАААВАВАААВАВАААВАВ…..

Время реакции на сигналы А и В оказалось одинаковым и таким же коротким, как время простой двигательной реакции на единственный сигнал. Но ведь и в этой новой последовательности сигнал А был в два раза более частым, чем сигнал В. Значит, дело не в частоте сигналов, а в том, что человек правильно прогнозирует возникновение следующего сигнала, будь то А или В.  В предыдущей – случайной – последовательности сигнал А прогнозируется (на основании предыдущего опыта) с большей вероятностью, чем сигналВ.  Во второй последовательности каждый  из сигналов прогнозируется абсолютно уверенно – с вероятностью 1.

Итак, быстрота реакции на сигнал зависит от того, с какой вероятностью прогнозируется появление определенного сигнала на основании хранимого памятью прошлого опыта. Чем с большей вероятностью  ожидается появление сигнала, тем быстрее осуществляется реакция на него. Этот вывод был подтвержден  и другими сериями проведенных экспериментов. (Фейгенберг, 2008). 

*     *     *  

Откуда же может быть получена информация о том, что еще не наступило,  но должно наступить? Источником такой информации может быть память организма о его прошлом опыте. Биологическая эволюция и жизнь каждого индивида происходят в вероятностно организованном мире. В этих условиях память сформировалась как полезная организму функция.   Сохранив информацию о том,  какие события, в какой последовательности и с какой вероятностью чередовались в прошлом,   организм может прогнозировать, что именно с наибольшей вероятностью наступит вслед за уже наступившим событием. Такой прогноз, естественно, может быть только вероятностным.

Он позволяет организму заранее подготовиться к действиям в предстоящей, еще не наступившей ситуации. Новая ситуация не застигнет организм врасплох.

Какими же свойствами, какими качествами должна обладать память, чтобы быть основой   вероятностного прогнозирования?

Прежде всего  –  память должна хранить не только следы  о самих событиях, бывших в прошлом, но и о том, какова была последовательность этих событий. Мало того – она должна хранить информацию о том, какова была вероятность каждой последовательности, с какой частотой возникала ситуация  В или С или D при условии, что перед этим имелась ситуация А.

                P(B/A),   P(C/A),   P(D/A).

    Запись Р(В/A) означает: Вероятность (Probability) возникновения      ситуации В, если уже имеется ситуация А (условная вероятность).

При такой памяти организм может прогнозировать, с какой вероятностью  последует ситуация B, C или  D при условии, что уже имеет место ситуация А. Такая память, в частности, хорошо обеспечивает осуществление не только классических условных рефлексов Павлова, где последовательность стимулов была жесткой, но и ситуаций со случайной вероятностной последовательностью событий.

Однако память плохо обеспечивала бы вероятностное прогнозирование, если бы она опиралась только на недавний опыт – она была бы слишком  доверчивой, слишком «легкомысленной». Сделанный ею прогноз слишком зависел бы от случайного сочетания недавних независимых событий (этот тип памяти встречается в патологии). Примером такой памяти может быть ожидание типа: «Мне нужен автобус №5, а только что прошел №3. Значит, сейчас придет нужный мне автобус: ведь в прошлый раз после автобуса №3 был №5».

Но и память без забывания – память, опирающаяся в равной степени на  опыт всей прошлой жизни организма, была бы плохой – была бы слишком «косной», слишком   плохо бы приспособлялась к изменениям вероятностной структуры среды. В научной литературе описан человек, лишенный забывания (А.Р. Лурия – «Маленькая книжка о большой памяти»). Описанный там пациент ничего не забывал и зарабатывал тем, что демонстрировал свою феноменальную память на эстраде. Но он страдал от такой памяти и говорил, что много дал бы за то, чтобы его избавили от такой памяти. Наличие забывания – не недостаток, а достоинство памяти. В ситуации изменения вероятностной структуры среды обитания память без забывания потребовала бы для изменения прогнозов накопления огромного нового опыта, соизмеримого со всей ранее прожитой жизнью.

 Вместе с тем, забывание является не абсолютным. Память сохраняет информацию и о давних событиях, но чем больше давность события, тем слабее память о нём – тем меньше «весовой коэффициент давности» этого запоминания.

Такая структура памяти обеспечивает не только хорошее изменение запоминания и вероятностного прогнозирования  в случае изменения вероятностной структуры среды, но и восстановление якобы «забытого» в случае возврата среды к ранее бывшим вероятностям событий. Повторное «переучивание» тому, что, казалось бы, забыто, требует меньшего времени, чем заняло первичное обучение. Это отчетливо проявляется и в экспериментах на животных и при наблюдении поведения человека.

Приведем здесь лишь один пример. В течение длительного времени собаке давали после звонка пищу. И у собаки после звонка, но еще до получения пищи, начинала выделяться слюна. Значит, в памяти собаки хранилась информация об именно такой последовательности событий. Но затем ситуация изменялась: после звонка всегда следовало не появление пищи, а болевое раздражение лапы. В результате в ответ на звонок собака начала отдергивать лапу, а выделения слюны не наступало. Собака ведет себя так, как будто она забыла прежнюю последовательность стимулов и помнит только новую последовательность. Однако теперь на некоторое время прекратили эксперименты – не кормили после звонка и не вызывали раздражения лапы. Через некоторое время звонок снова начинал вести к  выделению слюны. Поведение собаки такое, как будто она «вспомнила» то, что было уже «забыто».

Если что-либо ранее усвоенное казалось уже забытым, то новое обучение  «забытому» короче и проще, чем было первоначальное обучение.  Значит, прежнее не было совсем стерто из памяти, не совсем забыто.

Еще лучше память обеспечивает вероятностное прогнозирование благодаря тому, что она хранит информацию не только о том, что и с какой частотой наступало в прошлом событие В после события А, но учитывает и те события, которые предшествовали А:  NA,   MA, ….Вероятность возникновения события В после события А зависит от того, что предшествовало событию А  - N или M. 

         P(B/NA),   P(B/MA),…… и даже        P(B/KNA),   P(B/RNA),  P(B/LNA).

Это свойство памяти обеспечивает уже  и способность планировать действия,    которые с более высокой вероятностью позволят получить желаемую ситуацию В. Например, в случае наступления события N, для получения ситуации В нужно  совершить собственное действие А.

Не одинакова и степень запоминания возникших событий. Неожиданное событие запоминается лучше, чем ожидаемое. Если возникла ситуация, которая прогнозировалась с высокой вероятностью, то она запоминается хуже, чем ситуация, ожидание которой было маловероятным. Возникновение некоторой ситуации, ожидание которой было абсолютным, может вообще не запоминаться. Это дает памяти хорошую экономичность без ущерба для вероятностного прогнозирования. Если вы вышли из автобуса и у вас спросят, не было ли в нем пассажира в синем костюме, вы скорее не сможете уверенно вспомнить – был ли такой пассажир. Но если спросят, не было ли пассажира в индийской чалме,  вы сможете ответить вполне уверенно (и в случае, если такой человек был, и если такого не было). Неожиданное, не прогнозируемое с достаточно высокой вероятностью событие запоминается очень хорошо. А то, что было обычным, соответствующим вашему вероятностному прогнозу, может совсем не запоминаться. Зависимость степени запоминания от того, с какой вероятностью прогнозировалось запомнившееся событие, четко выявилось и в эксперименте. Это  –проявление экономичности в работе памяти: прогнозирование в этом случае достаточно хорошо и без этого нового запоминания.

Для нас существенны, таким образом,  следующие особенности памяти:

1. Сохранение памятью не только информации о том, какие события имели место в прошлом, но и информации о последовательности этих событий (стимулов), а также о частоте (вероятности) возможных последовательностей.

2.  Наличие забывания – но не абсолютного забывания, а такого, степень которого зависит от давности запомнившегося события.

3.  Лучшее запоминание неожиданных событий. События, которые прогнозировались с высокой вероятностью,  могут даже совсем не фиксироваться памятью.

Все эти особенности памяти оказываются очень полезными для вероятностного прогнозирования. 

*     *     * 

Как же прогнозирование появления определенного сигнала (или определенной ситуации) влияет на последующую реакцию – например, ускоряет ее? Какие механизмы обеспечивают лучшую (в частности, более быструю) реакцию на сигнал, возникновение которого в определенный момент времени прогнозировался с высокой вероятностью? Для ответа на эти вопросы были проведены несколько серий экспериментов с регистрацией биоэлектрических характеристик испытуемых – электромиограммы (EMG), электроэнцефалограммы (EEG) и кожно-гальванические реакции (GSR – galvanic skin reaction).

На пульте перед испытуемым появлялся один из двух возможных световых сигналов. При появлении сигнала в виде квадрата испытуемый должен был сжимать резиновую грушу кистью правой руки, а при появлении сигнала в виде треугольника делать то же левой рукой.

В первой части исследования оба пусковых (световых) сигнала следовали в случайной последовательности с одинаковой вероятностью. За полторы секунды до светового сигнала подавался звуковой сигнал – одинаковый для обоих световых сигналов. Таким образом, звуковой сигнал снимал неопределенность момента появления светового сигнала, но оставалась неопределенность того, какой именно световой сигнал последует – и, стало быть, неопределенность того, какой рукой надо будет реагировать.

В этой ситуации в ответ на звуковой сигнал наблюдалось отчетливое увеличение электрической активности мышц – в одинаковой степени на правой и левой руке. На электроэнцефалограмме отмечалась реакция активации в затылочных и сенсо-моторных областях обоих полушарий мозга. Возникала отчетливая кожно-гальваническая реакция. По мере повторения сигналов реакция на электромиограмме постепенно смещалась, приближаясь к моменту появления пускового (светового) сигнала, несколько опережая его.

Во второй части исследования экспериментатор, ни о чём не предупреждая испытуемого, начинает подавать только один из световых  (пусковых) сигналов – тот, на который надо реагировать движением левой руки. При этом на электромиограмме правой руки исчезало повышение электрической активности, а на левой руке повышение мышечной активности стало более выраженным, чем в первой части эксперимента и смещалось по времени, приближаясь к моменту подачи пускового сигнала, в ответ на который следовала двигательная реакция.  Реакция активации на электроэнцефалограмме сохранялось только в правом полушарии мозга (связанном с левой рукой) и смещалось по времени вперед, лишь немного опережая световой сигнал.

Таким образом, звуковой сигнал «внимание» вызывал отчетливую  преднастройку (presetting) тех физиологических систем – прежде всего, мышц – которые по прогнозу человека должны будут реагировать на еще не наступивший, но прогнозируемый человеком с высокой вероятностью пусковой сигнал.

Исследование показало, что вероятностное прогнозирование определенного сигнала (или появления определенной ситуации) ведет к опережающей этот сигнал преднастройке – мобилизации именно тех мышц, действие которых понадобится для ответа на ожидаемый световой сигнал.

При достаточной   неопределенности вероятностного прогноза (в первой части нашего исследования) преднастройка охватывает более широкий круг мускулатуры. При большей определенности вероятностного прогноза (во второй части исследования) преднастройка становится более локальной. Пусковой сигнал застает организм не «врасплох», а с уже подготовленным преднастройкой моторным аппаратом. Реакция при этом становится более быстрой, более точной, более  экономной – с меньшей затратой энергии. 

Дополнительные серии наших зкспериментов  подтвердили такой вывод и позволили несколько уточнить его.

Итак, при большой неопределенности вероятностного прогноза после предупреждающего сигнала возникала более генерализованная (менее локализованная во времени и в пространстве)  преднастройка, и двигательная  реакция человека после пускового сигнала была более медленной. При более определенном вероятностном прогнозе преднастройка была более локальной, более отчетливой и более близкой по времени к моменту возникновения сигнала. В этом случае и реакция человека на сигнал была более быстрой. Эксперимент показывает, что преднастройка привязана к месту и ко времени прогнозируемой человеком моторной  реакции. 

*     *     * 

Представление о вероятностном прогнозировании оказалось плодотворным в разных  областях деятельности: в медицине, в педагогике, в анализе речи человека и восприятия текста, в спорте. 

На сколько же далеко должно «заглядывать» в будущее вероятностное прогнозирование? Это зависит от характера выполняемой человеком деятельности. От того, насколько лабильна, изменчива та ситуация, в которой протекает деятельность.

Теннисист или футболист должны прогнозировать наиболее вероятное положение мяча через доли секунды.

Врач неотложной помощи должен прогнозировать наиболее вероятное состояние пациента, которое может наступить через несколько минут и часов.

Организатор производства на заводе должен «видеть» наиболее вероятную ситуацию, которая наступит только через несколько дней, недель  и месяцев.

Хороший педагог (в том числе родители ребенка) должен прогнозировать деятельность сегодняшнего ученика через несколько лет и даже десятилетие – когда его подопечный уже не будет его учеником, а будет жить и действовать самостоятельно в жизненных ситуациях, которые во время обучения даже сам педагог не может достаточно ясно предусмотреть. Но этот очень важный педагогический вопрос уже выходит за рамки проблемы вероятного прогнозирования и требует специального рассмотрения (И.Фейгенберг и В.Лаврик, 2011).

Фейгенберг И.М.- Вероятностное прогнозирование в деятельности человека и поведении животных (2008), Москва, изд. НЬЮДИАМЕД.