Биокибернетика Николая Амосова | История ИТ в Украине

Биокибернетика Николая Амосова

Николай Михайлович Амосов в первую очередь известен как один из лучших в мире хирургов. Однако мало кто знает, что он также является основателем биокибернетики в Украине. Будучи не только врачом, но и талантливый инженером, Амосов сделал первый в Украине аппарат искусственного кровообращения, занимался вопросом искусственного интеллекта, и даже смог при отсутствии материалов выкроить трехстворчатый сердечный клапан из нейлоновой рубашки. Стремление к всестороннему познанию человека определило вторую, не менее важную, чем хирургия, область интересов Николая Михайловича – моделирование физиологии, мышления, психики и социального поведения человека.
EVM_Biokibernetika

Биография:

Amosov
Амосов Николай Михайлович

В 1960 году в Институте кибернетики АН УССР при поддержке В.М. Глушкова был создан отдел биокибернетики. Более 30-ти лет его бессменным руководителем и идейным вдохновителем был Николай Амосов.

Как рассказывает сам Амосов в своей книге воспоминаний «Голоса времен», кибернетика для него началась со знакомства с ученицей С.А. Лебедева Екатериной Шкабарой: «Помню, как на нашей сцене появился новый персонаж с очень большими последствиями – Екатерина Алексеевна Шкабара. От нее началась моя кибернетика: она просветила, дала книжку Эшби, потом Винера, познакомила с академиком В.М.Глушковым. Умнейшая женщина. Но лидер. И, даже, слишком. Из-за этого потом и разошлись – пыталась командовать. Но именно она создала для меня Отдел биокибернетики в составе Института кибернетики».

Начало биокибернетики в Украине было положено созданием компьютерных программ для диагностики болезней. Из воспоминаний Амосова: «Кибернетику мы начали с диагностических машин. Катя (Шкабара) рассказала о перфокартах, я разработал форму историй болезней, чтобы были признаки болезней: набивай их на перфокарты, вставляй в машину - получишь диагноз. Разумеется, до того нужно сделать статистику – при каких признаках болезнь. Это тоже моя забота. Тут подоспел Озар Минцер. Он обставил механическую обработку перфокарт. Скажу сразу, из этого медицинского направления кибернетики ничего полезного не вышло – диагнозы машина ставила плохо. Впрочем, польза была: осталась и до сих пор действует так называемая «формализованная» история болезни. В ней заготовлены все признаки, только подчеркивай, проставляй цифры и совсем мало текста – облегчение врачам».

За годы работы Отдела биокибернетики под руководством Амосова проводились работы по математическому моделированию физиологических органов и систем, с учетом возможностей  человека, с использованием вычислительной техники и теории управления. Под его руководством были проведены фундаментальные клинико-физиологические исследования системы саморегуляции сердца. Их результаты помогли создать несколько аппаратов искусственного кровообращения оригинальной конструкции. Однако вначале одной из важнейших идей была идея создания самообучающейся диагностической и лечебной машины. Именно она легла в основу самостоятельного научного направления — медицинской кибернетики.

Создание первого в Украине Аппарата Искусственного Кровообращения (АИК) положило начало новому этапу хирургической практики в клинике Амосова. Началось все с того, что в октябре 1957 года Николай Михайлович в составе советской делегации поехал в Мексику на конгресс хирургов. Из этой поездки Амосов вынес несколько уроков, как профессиональных, так и бытовых. Во-первых, по его мнению, «нет лучше людей при заграничных поездках, чем хирурги. Они не скупы, свободно треплются о политике, крамолу подбирают и читают по очереди, не прячась. На стриптиз ходят. Водку пьют». Во-вторых, несмотря на всю помпу советских руководителей, Николай Михайлович на фоне американской техники отчетливо увидел большие пробелы в советской науке. И самое главное - Амосов стал свидетелем уникальной операции, что кардинально изменила его дальнейшую жизнь. «Самым важным событием поездки в Мексику была операция с АИК, которую удалось увидеть впервые в жизни,  – напишет в своих воспоминаниях выдающийся хирург. – Мы смотрели операцию втроем: Б.В.Петровский, А.А.Вишневский и я. Помню большое здание, хорошая операционная, средних лет доктор, типичный мексиканец. Оперировали тетраду Фалло у мальчика лет 12 с АИКом самой первой модели Лилихая. Знал о нем из журналов. Грудь вскрыли поперечным разрезом, выделили сердце, ввели гепарин и присоединили АИК. Пустили насос, искусственное кровообращение началось. В общем, хирург удачно закончил операцию, зашил отверстие в перегородке сердца, расширил вход в легочную артерию. Впечатление огромное. Вынь да положь, нужно добыть АИК и начать оперировать! Только ничего у нас нет. Я слышал, что в Москве, в Институте по инструментарию занимаются АИКами, но для Киева недоступно. Значит, нужно сделать аппарат самим! Конструкция не столь сложна, я же инженер. Но вот трубок таких нет и, самое главное, нет у нас гепарина против свертываемости крови. Но у меня же есть еще 15 долларов! Тут уж я проявил инициативу. Разыскал магазин медицинских средств и вложил весь свой капитал – купил трубки и немного нужных лекарств. Путешествие окончилось, следствия остались. По крайней мере два – анестезиология и искусственное кровообращение».

По возвращении в Киев Амосов сразу же засел за эскизы Аппарата искусственного кровообращения. За неделю был сделан чертеж по всем инженерным правилам. Принцип кровяного насоса Амосов взял у Крэффорда. Оксигенатор для насыщения крови кислородом – от Лилихея. Машина получилась не очень сложная, но требующая точности. Нашлись инженеры-энтузиасты, но нужна была тысяча рублей. Достали. Аппарат был готов за два месяца и в 1957 году начались его первые испытания. Вначале были трудности, но, наконец, 10 марта 1960 года мальчик с серьезным пороком сердца успешно перенес операцию с использованием АИК. Николай Амосов не был первым в СССР хирургом, проводящим операции на сердце при помощи АИК. На полгода его опередил А. Вишневский, сделавший операцию при помощи аппарата, созданного московским Институтом инструментария. Вторым был Институт Бакулева. Они пригласили бригаду с АИК-ом из Англии, те сделали пять операций, с одной смертью, и оставили аппарат. Не смотря на то, что Амосов был третьим, его Институт обогнал всех остальных по количеству операций и минимальной смертности среди больных.

В том же 1957 году помощники Николая Михайловича В. Лищук и О.Лисова создали настоящую экспериментальную лабораторию по исследованию сердца с полным инженерным оснащением. Сердце испытывали как насос: «снимали характеристики» изменения производительности сердца при повышении венозного подпора. Сначала это была лаборатория для отработки операций с АИК, а потом присоединились физиологические исследования сердца с участием инженеров и математиков. Уже позже на базе той же лаборатории  хирурги во главе с Амосовым также осваивали операции по протезам клапанов, и еще позднее - пересадку сердца.

Как и с АИК, не менее тяжелая ситуация была с сердечными клапанами. «Основные врожденные пороки у детей старше шести лет мы уже оперировали, а с приобретенными пороками сердца был полный провал, – сокрушался Амосов. – Когда в створках сплошной кальций, нужны искусственные клапаны. Что делать? Американских створок у меня нет и не будет, импорт закрыт для советских хирургов. Больные обречены на смерть в течение 2-5 лет. Это оправдывает риск операции. Вот и рассудите: право на эксперимент на человеке. Поверьте, очень нелегко решаться на новую непроверенную операцию, для которой, ну, ничего нет, кроме самоделок. Много проще сказать: «На нет, и суда нет». Отойду в сторону. Пусть умирают, спасаем, кого можем. Мне такая позиция не нравилась. Считал возможным рискнуть одним-двумя обреченными больными».

Первые трехстворчатые клапаны выкраивали из нейлоновой рубашки, которую Амосов привез из Италии: тогда нейлон в СССР не производили. Провели 11 операций, но через полгода пришлось делать повторные — хирурги не ожидали, что ткань приобретет свойства пергамента, потеряв подвижность.  В 1963 году американский хирург Стар опубликовал статью о новых клапанах. Именно их (усовершенствованная инженерами) конструкция была использована Амосовым для дальнейших операций. Потом эти клапаны использовались во всем СССР в течение 20 лет.

В 1964 году Николай Михайлович Амосов предложил гипотезу о механизмах переработки информации мозгом человека. В рамках этой гипотезы были сформулированы системные представления о структуре и механизмах мозга, функционирование которых порождают психические функции человека. Принципиально важным было то, что объектом моделирования становились не отдельные структуры, механизмы или функции (например, память, восприятие, обучение и т.п.), а мозг человека как социального существа – мозг homo sapiens. Именно в этом и состояло новаторство опубликованной в 1965 году монографии «Моделирование мышления и психики», которая на пару десятилетий стала «библией» для нескольких поколений исследователей. «Моделирование – это содержание всей моей кибернетики. Модели клетки, организма, разума, общества» – так отзывался о своей работе в этой области науки сам ученый. Идеи, изложенные в книге получили дальнейшее развитие в последующих работах Н.М.Амосова "Моделирование сложных систем", "Искусственный разум", "Алгоритмы разума", "Природа человека".

Теоретические положения Амосова о механизмах переработки информации мозгом и принципах порождения сложных психических функций были использованы при создании особого класса нейроподобной сети, получившей название М-сеть. М-сеть как инструмент моделирования механизмов переработки информации была предложена А.Касаткиным и Л.Касаткиной в 1966 году. Разработанные ими компьютерные модели интеллектуального поведения РЭМ (1965-1967 г.) и МОД (1968-1971 г.) позволили продемонстрировать принципиальную возможность создания нейросетей, которые имитируют механизмы, порождающие сложные психические функции. В частности, были промоделированы механизмы порождения и влияния эмоций на формирование поведенческих актов. РЭМ и МОД создавались как прообразы интегральных роботов, способных самостоятельно оценивать собственное состояние (состояние своего «тела») и состояние окружающей среды, планировать свое поведение и принимать необходимые решения для реализации или коррекции плана. Модели РЭМ и МОД были первыми серьезными попытками отобразить средствами нейросети психологические аспекты поведения высших животных и человека. Это также была первая попытка модельной реализации гипотезы Амосова.

Изменением структуры М-сети (или только весов отдельных связей) создавались разные типы «личности» РЭМа – агрессивный, спокойный, трусливый. В ходе эксперимента структура М-сети не изменялась. Экспериментов было проведено довольно много, что в то время (1966-1967 гг.) было непросто – М-220 была единственной «большой» вычислительной машиной в Институте кибернетики и «получить» машинное время было достаточно сложно. Но после РЭМа стало ясно, что на основе гипотезы Амосова действительно можно создавать нейросетевые структуры, порождающие разумное поведение, и, что более интересно, разумную мотивацию этого поведения. Следующая модель (МОД) была реализована на более мощной и быстродействующей ЭВМ БЭСМ-6.

Изначальная направленность работ школы Амосова на комплексное моделирование психических функций в значительной мере определила «робототехническую» тенденцию дальнейших исследований, проводимых в Отделе биокибернетики. Стоит отметить, что сам Амосов на начальном этапе этих работ был категорически против обличения своих идей в «железки». Но его удалось убедить, и в итоге было разработано и исследовано целое семейство таких роботов. Инициатором и руководителем работ этого направления являлся Э.М.Куссуль. Так в 1972-1975 годах был создан первый в СССР автономный транспортный робот «ТАИР». Робот демонстрировал целенаправленное движение в естественной среде, обход препятствий и т.п. «ТАИР» представлял собой трехколесную самоходную тележку, снабженную системой датчиков (дальномер и тактильные датчики). Управлялся он аппаратно реализованной нейронной сетью.

Исследование и совершенствование алгоритмов управления роботом при движении в естественной среде было продолжено в 1984-1986 годах. на макете «МАВР». Эта работа проводилась по заказу Министерства обороны СССР и была направлена на создание автономного робота, способного целенаправленно передвигаться в условиях сложной пересеченной местности. Информация о внешней среде поступала от дальномеров, оптических и тактильных датчиков на программно реализованную (бортовой компьютер) нейронную сеть. В результате обработки входной информации принималось решение о направлении перемещения или других операциях, включенных в блок принятия решений. Принятые решения активировали соответствующие исполнительные механизмы.

В середине 80-х годов в области моделирования мозга появился новый термин – «нейрокомпьютер». Надежды, связанные с ранними работами по созданию систем искусственного интеллекта (ИИ), естественным образом были перенесены на нейрокомпьютеры, которые в широком смысле понимали как прообразы «искусственного мозга» – разумной системы, которая должна строиться и функционировать аналогично мозгу человека. Первый макет нейрокомпьютера (1989 г.) был создан на элементной базе, произведенной в СССР, и представлял собой приставку к персональному компьютеру. В последующих макетах использовалась уже более продвинутая элементная база. В 1992 году совместно с японской фирмой WACOM был разработан и экспериментально проверен на задачах распознавания образов последний вариант нейрокомпьютера.

Также Н.М.Амосов проявлял большой интерес к общественному устройству и взаимосвязи человека и общества. Путем моделирования он искал ответ на вопросы, связанные с общественной структурой. Какие преимущества и какие недостатки у капитализма и социализма, что такое "идеальное общество"? Ответы на вопросы такого рода Н.М.Амосов предполагал найти путем создания эвристических моделей.

В качестве носителей психологических качеств человека в модели общества Н.М.Амосов предложил использовать обобщенные модели личностей, отражающие основные черты различных социальных групп.

Была разработана функциональная схема обобщенной модели личности, показывающая взаимодействие чувств, трудовых усилий и "платы" за труд. Все основные психологические качества личности и ответные реакции общества выражены в модели нелинейными функциями с насыщением, где учитываются ограниченные физические возможности человека и ограниченные ресурсы общества. Отладка моделей заключалась в увязке балансов распределения и движения труда и "платы" с замыканием через мотивы. Влияние идеологии задавалось посредством специально разработанных шкал: труд - плата, труд - утомляемость, уровень притязаний (кривые "плата - чувство").

В 1982 году, устав от успешных операций на сердце, а еще больше – от операций с летальным исходом, Амосов решил полностью посвятить себя кибернетике. Он перестал оперировать и на все лето переселился на дачу. Из состояния уединения его вывела встреча с Б.Е. Патоном. Вначале октября они ехали вместе в поезде в Москву, и Амосов поделился с ученым своими мыслями по поводу перехода от хирургической «практики» к биокибернетической «теории». Патон воскликнул: «Да вы с ума сошли! Разве можно бросать операции! Что вам даст кибернетика? Там больше слов, чем дела». И тогда великий хирург задумался: «Модели общества никому не нужны, – пишет он в своих воспоминаниях, – Искусственный Интеллект (ИИ) такой, как я хочу – в сфере мечтаний. Мои помощники норовят приземлить идею, нацелились на роботов, на распознавание образов. Так и пришел обратно, в клинику. О кибернетике и моделях не вспоминал. Разве можно их сравнить с хирургией, с жизнями людей?»

Несмотря на огромные успехи в биокибернетике, главным делом Николая Михайловича Амосова всегда оставалась хирургия. «Амосов прошел всю Великую Отечественную войну со своим полевым госпиталем и вышел из нее закаленным, спешащим сделать для медицины больше и лучше других, - вспоминает о нем ученик и новый директор Института сердечно-сосудистой хирургии Геннадий Кнышов. - Он был новатором и неординарным человеком. Испытал себя во всем: в медицине стал незаурядным хирургом, в кибернетике работал над искусственным разумом, в литературе прославился на весь мир повестью «Мысли и сердце». Кроме того, он создал лучшую в СССР лабораторию по исследованию работы сердца и легких, 18 лет был депутатом Верховного Совета СССР, создал Институт сердечно-сосудистой хирургии. Конечно, как и у всех людей, в жизни Амосова были взлеты и падения. Однако он всегда возвращался в сердечную хирургию, без которой просто не мог жить».

#photodescription12-1

#photodescription12-2

#photodescription12-3

#photodescription12-4

#photodescription12-5

#photodescription12-6