Начнем издалека. Представим себе, что ученые девятнадцатого века неким волшебным образом получили современный компьютер. Они стали бы изучать его работу, создали бы целую науку, описывающую свойства операционной системы и установленных программ. Затем они вскрыли бы этот компьютер и попытались описать его основные узлы, понять их назначение. Потом они стали бы измерять напряжение в различных точках. Возникли бы различные теории о циркулирующих внутри компьютера потоках информации. Возникло бы учение о его кремниевой основе. Кто-нибудь получил бы Нобелевскую премию за открытие принципов работы полупроводникового вентиля. Но самое главное, что сложность устройства современного компьютера затруднила бы тем ученым, путь к пониманию достаточно простых принципов лежащих в основе любой вычислительной техники. Эти принципы были сформулированы в «машине Тьюринга» и не изменились по сей день, и неважно собран ли компьютер на лампах, транзисторах или микросхемах. Любой компьютер имеет память, систему команд, процессор, который умеет эти команды выполнять, программы, состоящие из последовательности команд и устройства ввода вывода, позволяющие взаимодействовать с внешним миром. Остальное «навороты», возникшие в результате эволюции вычислительной техники, хотя и многократно увеличивают возможности компьютера, не отменяют эти принципы.
Изучение человеческого мозга во многом напоминает, нарисованную картину. Мы знаем многое о его внутренней структуре, глубоко изучены процессы, протекающие в нейронах, но для многих исследователей обилие разнообразных знаний, заслоняет понимание достаточно простых принципов лежащих в основе работы мозга.
Зададимся целью создать «мозг» простого устройства, который будет в своем существовании использовать те же принципы, которые присущи живым существам. Конечно, реальный мозг устроен значительно сложнее, но сейчас я попытаюсь сформулировать основной принцип, настолько же фундаментальный для понимания работы мозга, насколько понимание «машины Тьюринга» основополагающе для понимания работы современного компьютера.
В предыдущем посте «Эмоции человека и лампочки компьютера» я описывал роль эмоций и памяти, кратко повторюсь.
Изначально все поступки – следствия рефлексов. Эмоции не «толкают» нас на какое-либо поведение. Эмоции «дают оценку» всему, что происходит. Всегда присутствует итоговая скалярная оценка по шкале «хорошо/плохо». Итоговая оценка фиксируется памятью вместе с «ситуацией», которая вызвала эту оценку. «Ситуации» содержат в себе не только внешнюю картину мира, но и нашу реакцию на нее, наши поступки. Память впоследствии, реагируя на внешнее воздействие, «заставляет» совершать какие-либо действия или «препятствует» им. Причем действия, которые мы совершаем исходя из нашего опыта, с наибольшей вероятностью, в сравнении с другими возможными действиями, будут вести к положительному изменению эмоционального состояния. Эмоции, которые сопровождают наши поступки, нельзя трактовать как «побудители действия», это – оценки происходящего, которые нужны для формирования опыта.
Теперь рассмотрим устройство, изображенное на рисунке.
Каждый из кружочков обозначает некий формальный нейрон — искусственный аналог нейрона реального мозга. За исключением «регулятора», который сам предстовляет из себя несложную конструкцию которую можно собрать из нейронов. В устройстве используется несколько, немного различных по свойствам, типов нейронов. Опишем их:
Такое устройство, которое, кстати, несложно реализовать на практике, ведет себя как живой организм. Сначала его поведение полностью определяется рефлексами и представляет собой реакцию на состояние датчиков. Но, кроме рефлексов, устройство имеет возможность формировать инстинкты, то есть способность испытывать эмоции и запоминать события, приводящие к их изменениям. Со временем память накапливает информацию о том, какое поведение оптимально в той или иной ситуации с точки зрения максимизации положительных эмоций. Память начинает оказывать влияние на исполнительные устройства. Чисто рефлекторное поведение сдвигается в сторону инстинктивного.
Рассмотрим, как это происходит. Пока память чиста, состояние исполнительных нейронов определяется нейронами рефлексов. Сталкиваясь с ситуациями, «прошитыми» в рефлексах, наше устройство будет выполнять действие, предусмотренное ими. Какие рефлексы целесообразны – это определяется естественным отбором. Применительно к живым существам можно сказать, что возникнут и зафиксируются рефлексы, которые обеспечат поведение, способствующее:
При совершении различных действий, на которые толкнули рефлексы, будет меняться состояние нейронов-«эмоций». То, какие будут возникать эмоции, зависит от нейронов «эмоциональных рефлексов». Они распознают картину на «датчиках» и «трактуют» ее как «хорошо» или «плохо». Сам факт оценки ситуации в терминах эмоций не влечет никаких немедленных действий, память просто фиксирует все ситуации, в которых менялся эмоциональный фон. Другими словами, каждый нейрон памяти фиксирует воспоминание об определенной ситуации (что это за ситуация, определяется уже состоянием нейронов-«датчиков») и запоминает информацию о том, привело ли совершенное в этой ситуации действие к улучшению или ухудшению эмоционального состояния.
Далее нейроны памяти, «узнавая» ситуации, которые соответствуют их «опыту», начинают вносить свой вклад в формирование поступков. За счет процессов активации они стимулируют к действиям, которые дали улучшение состояния, а за счет процессов торможения предостерегают от поступков, которые привели к его ухудшению. В условиях, когда датчиков, отображающих внешний мир, не так много, в памяти могут фиксироваться противоречивые воспоминания. При одной и той же картине на датчиках одни и те же действия могут вести к разным результатам. Это означает, что либо из-за недостаточности информации были отождествлены две разные внешние ситуации, либо само явление носит случайный характер. В таких ситуациях накопление опыта приведет к тому, что исполнительные нейроны, суммируя сигналы возбуждения и торможения, будут выбирать то действие, при котором выше вероятность положительных изменений эмоционального состояния.
Если мы захотим усовершенствовать наше устройство, то, оглядываясь на мозг человека, можем понять, что у нас в запасе – множество «эволюционных приемов». Например:
В общем, нет предела совершенству…
Описанное устройство может приспосабливаться к среде, эволюционировать, но не мыслить. Для мышления ему необходимы существенные изменения конструкции и введение новых принципов. Я попробую описать их в последующих постах.
Изучение человеческого мозга во многом напоминает, нарисованную картину. Мы знаем многое о его внутренней структуре, глубоко изучены процессы, протекающие в нейронах, но для многих исследователей обилие разнообразных знаний, заслоняет понимание достаточно простых принципов лежащих в основе работы мозга.
Зададимся целью создать «мозг» простого устройства, который будет в своем существовании использовать те же принципы, которые присущи живым существам. Конечно, реальный мозг устроен значительно сложнее, но сейчас я попытаюсь сформулировать основной принцип, настолько же фундаментальный для понимания работы мозга, насколько понимание «машины Тьюринга» основополагающе для понимания работы современного компьютера.
В предыдущем посте «Эмоции человека и лампочки компьютера» я описывал роль эмоций и памяти, кратко повторюсь.
Изначально все поступки – следствия рефлексов. Эмоции не «толкают» нас на какое-либо поведение. Эмоции «дают оценку» всему, что происходит. Всегда присутствует итоговая скалярная оценка по шкале «хорошо/плохо». Итоговая оценка фиксируется памятью вместе с «ситуацией», которая вызвала эту оценку. «Ситуации» содержат в себе не только внешнюю картину мира, но и нашу реакцию на нее, наши поступки. Память впоследствии, реагируя на внешнее воздействие, «заставляет» совершать какие-либо действия или «препятствует» им. Причем действия, которые мы совершаем исходя из нашего опыта, с наибольшей вероятностью, в сравнении с другими возможными действиями, будут вести к положительному изменению эмоционального состояния. Эмоции, которые сопровождают наши поступки, нельзя трактовать как «побудители действия», это – оценки происходящего, которые нужны для формирования опыта.
Теперь рассмотрим устройство, изображенное на рисунке.
Каждый из кружочков обозначает некий формальный нейрон — искусственный аналог нейрона реального мозга. За исключением «регулятора», который сам предстовляет из себя несложную конструкцию которую можно собрать из нейронов. В устройстве используется несколько, немного различных по свойствам, типов нейронов. Опишем их:
- – «Датчики», то есть нейроны, которые получают некую информацию об окружающем мире и находятся в состоянии активности, пока присутствует то раздражение, на которое они реагируют;
- – «Исполнительные нейроны» – они активируются в том случае, если сумма сигналов входов превышает некое пороговое значение. Активировавшись, исполнительные нейроны приводят в действие связанные с ними исполнительные устройства. При прекращении условия активации нейроны возвращаются в неактивное состояние и прекращают работу исполнительного устройства. Сигналы, приходящие на входы исполнительных нейронов, могут быть активирующие (+1) или тормозящие (-1). Пороговое значение можно сделать зависящим от числа активных входов;
- – «Рефлексы» – нейроны, связи которых изначально определены. Эти связи образуют матрицу рефлексов. Сами нейроны активируются при возникновении строго определенной картины активности датчиков, причем сочетание активности датчиков, которое к этому приводит, задается изначально. В случае активации рефлексы дают активирующий (+1) либо тормозящий (-1) сигнал исполнительным нейронам;
- – «Эмоциональные рефлексы» – нейроны, которые работают так же как и рефлексы, с той лишь разницей, что активирующие сигналы поступают на эмоции;
- – «Эмоции» – нейроны, которые активируются в случае активации замкнутых на них эмоциональных рефлексов. Совокупность активности нейронов-«эмоций» образует «эмоциональный фон», то есть то, как воспринимает и оценивает наше устройство отраженный через датчики окружающий мир. Изменение состояния датчиков может привести к изменению эмоционального фона. Каждый раз, когда происходит изменение эмоционального фона, то есть меняется состояние любого из нейронов-«эмоций», будем фиксировать на одном из нейронов памяти текущую картину активности. Отвечает за этот процесс «регулятор». Он выбирает свободный нейрон и дает ему команду на запоминание, а также сообщает, как изменилось эмоциональное состояние (+1 или -1).
Изменение эмоционального состояния будем оценивать следующим образом:
(+1) – если изменение привело к улучшению эмоционального фона, то есть возросла величина «хорошо» минус «плохо» (где «хорошо», «плохо» принимают значения 0 либо 1 и соответствуют неактивности либо активности нейрона «эмоции»). Например, (+1) возникает, когда появляется положительная эмоция («хорошо») или прекращается отрицательная эмоция («плохо»);
(-1) – если изменение привело к ухудшению эмоционального фона, то есть уменьшилась величина «хорошо» минус «плохо» (где «хорошо», «плохо» принимают значения 0 либо 1 и соответствуют неактивности либо активности нейрона «эмоции»). Например, (-1) возникает, когда появляется отрицательная эмоция («плохо») или прекращается положительная эмоция («хорошо»).
Если с изменением состояния обоих нейронов-«эмоций» итоговое эмоциональное состояние не изменилось, то на выбор читателя можно не запоминать такое событие или ввести принцип доминирования одной эмоции над другой.
Вообще нет смысла ограничивать эмоции значениями -1,0,1. У человека эмоции проявляются с различной силой. Но сейчас ограничим себя, что бы показать качественную картину. - – «Память» – нейроны, которые могут находиться в трех режимах.
Режим 1. Изначально все нейроны памяти девственно чисты и не оказывают влияния на работу системы.
Режим 2. По команде «регулятора» нейроны памяти способны фиксировать картину активности других нейронов, связанных с ними (датчиков, эмоций, исполнительных нейронов). Фиксируется состояние активности на связях и направление изменения эмоционального состояния системы – (+1) или (-1).
Режим 3. Запомнив свою картину, нейрон памяти переходит в новое состояние. В этом состоянии нейрон активируется, если «узнаёт» картину активности, которая соответствовала моменту запоминания. Активировавшись в случае определенного рода «повторения» картины активности нейронов, соответствующей моменту запоминания, нейрон памяти подает сигналы по всем направлениям, которые были активны в момент запоминания. Причем если в момент запоминания изменение эмоционального состояния имело значение (+1), то сигнал подается активирующий (+1), если же значение было (-1), то тормозящий (-1); - – «Регулятор» – это, скорее, не отдельный нейрон, а некий узел, который можно собрать из более простых «классических» нейронов, но сейчас не хотелось бы отвлекаться на описание его возможного устройства. Регулятор дает команды нейронам памяти на запоминание и сообщает им направление изменения эмоционального состояния.
Такое устройство, которое, кстати, несложно реализовать на практике, ведет себя как живой организм. Сначала его поведение полностью определяется рефлексами и представляет собой реакцию на состояние датчиков. Но, кроме рефлексов, устройство имеет возможность формировать инстинкты, то есть способность испытывать эмоции и запоминать события, приводящие к их изменениям. Со временем память накапливает информацию о том, какое поведение оптимально в той или иной ситуации с точки зрения максимизации положительных эмоций. Память начинает оказывать влияние на исполнительные устройства. Чисто рефлекторное поведение сдвигается в сторону инстинктивного.
Рассмотрим, как это происходит. Пока память чиста, состояние исполнительных нейронов определяется нейронами рефлексов. Сталкиваясь с ситуациями, «прошитыми» в рефлексах, наше устройство будет выполнять действие, предусмотренное ими. Какие рефлексы целесообразны – это определяется естественным отбором. Применительно к живым существам можно сказать, что возникнут и зафиксируются рефлексы, которые обеспечат поведение, способствующее:
- – выживанию и размножению;
- – скорейшему обучению инстинктивному поведению.
При совершении различных действий, на которые толкнули рефлексы, будет меняться состояние нейронов-«эмоций». То, какие будут возникать эмоции, зависит от нейронов «эмоциональных рефлексов». Они распознают картину на «датчиках» и «трактуют» ее как «хорошо» или «плохо». Сам факт оценки ситуации в терминах эмоций не влечет никаких немедленных действий, память просто фиксирует все ситуации, в которых менялся эмоциональный фон. Другими словами, каждый нейрон памяти фиксирует воспоминание об определенной ситуации (что это за ситуация, определяется уже состоянием нейронов-«датчиков») и запоминает информацию о том, привело ли совершенное в этой ситуации действие к улучшению или ухудшению эмоционального состояния.
Далее нейроны памяти, «узнавая» ситуации, которые соответствуют их «опыту», начинают вносить свой вклад в формирование поступков. За счет процессов активации они стимулируют к действиям, которые дали улучшение состояния, а за счет процессов торможения предостерегают от поступков, которые привели к его ухудшению. В условиях, когда датчиков, отображающих внешний мир, не так много, в памяти могут фиксироваться противоречивые воспоминания. При одной и той же картине на датчиках одни и те же действия могут вести к разным результатам. Это означает, что либо из-за недостаточности информации были отождествлены две разные внешние ситуации, либо само явление носит случайный характер. В таких ситуациях накопление опыта приведет к тому, что исполнительные нейроны, суммируя сигналы возбуждения и торможения, будут выбирать то действие, при котором выше вероятность положительных изменений эмоционального состояния.
Если мы захотим усовершенствовать наше устройство, то, оглядываясь на мозг человека, можем понять, что у нас в запасе – множество «эволюционных приемов». Например:
- – Можно заняться топологией устройства. К примеру, расположить датчики на плоскости (сенсорный слой) и сгруппировать их по признаку переносимой ими информации (звуковой, зрительной и т. п. Далее разместить нейроны памяти «слоем коры» над ними и охватить связями преимущественно те зоны, над которыми они находятся, придав тем самым памяти деление на предметные области);
- – Нейронам памяти можно дать возможность иметь связи между собой, позволив им включать память в картину текущего представления и тем самым, изменив распознавание, сделать его более устойчивым к стереотипным ситуациям;
- – Можно надстроить более высокие слои памяти, которые позволят распознавать и запоминать более сложные, «абстрактные» конструкции;
- – Можно ввести механизм импринтинга – когда по какому-то набору признаков будет распознаваться некий объект, ситуация, состояние, и будет осуществляться их привязка к определенным наборам эмоций и рефлексов (При этом инстинкт будут направлен не на те признаки, которые вызвали срабатывание импринтинга, а на зафиксированное памятью явление, распознаваемое по дополнительным признакам, которые изначально отсутствовали);
- – Можно использовать для передачи информации между нейронами не только существующие связи, но и ввести некие управляющие сигналы, доступные сразу всем нейронам «мозга» автомата, и с их помощь реализовать, например, работу «регулятора»;
- – Можно увеличить количество эмоций, сделать их картину значительно более сложной;
- – Можно ввести параметр «сила эмоции» и учитывать его при «запоминании» и «управлении»;
В общем, нет предела совершенству…
Описанное устройство может приспосабливаться к среде, эволюционировать, но не мыслить. Для мышления ему необходимы существенные изменения конструкции и введение новых принципов. Я попробую описать их в последующих постах.
