Як працює мозок
Цей розділ присвячується
його публічним лекціям,
у яких він часто мріє про те, що розроблять загальну концепцію роботи мозку,
а розробнику дадуть Нобелівську премію.
Загальна концепція роботи мозку.
Статті слід розглядати лише у сукупності.
Автор не претендує на те, що гіпотези – істина в останній інстанції.
Елементна база
"Елементна" основа мозку дуже однакова.
Набагато менш різноманітна, ніж асортимент електронних компонентів.
І хоча нюансів безліч, всю різноманітність можна звести до трьох логічних елементів: рецептора, нейрона, ефектора і проводу - нервового закінчення.
Нервовий закінчення.
Дуже схоже на звичайний кабель в ізоляції, чим є.
Рецептори.
У логічному сенсі всі рецептори – кнопки або датчики. Зовнішнє середовище, впливаючи на рецептор, змушує виробляти електричний імпульс, який передається по нервовому закінченню до підключеного нейрона.
Еффектор
Намальований у правому нижньому кутку картинки.
Виділяє під впливом електричних імпульсів нейромедіатори, які змушують скорочуватися чи розслаблятися м'язи.
Аналогічний електромагнітному реле, чи електромагніту, чи лампочці, чи електромотору. Усьому, що переводить електричний імпульс у фізичний рух.
Нейрон
Нейрон трохи складніший за дроти з вимикачем. Це аж зважений суматор!
Логіка роботи нейрона така:
Якщо сума зовнішніх сигналів перевищує поріг збудження нейрона, він збуджується.
Зовнішні сигнали підсумовуються з ваговими коефіцієнтами, "прописаними всинапсах".
Після збудження синапси, що брали участь у збудженні, модифікуються у бік збільшення ваги.
Пітерський незалежний дослідник Андрій Ніканкін чесно промоделював роботу нейрона як мембрани з урахуванням топології підключення зовнішніх точок на дереві. Доповідь
Резюме таке: У всіх практичних завданнях можна сміливо розглядати нейрон як виважений суматор.
Вплив елементної бази на архітектуру інформаційної системи
З погляду розуміння того, як ця елементна база працює в мозку, дуже корисно мати докладне уявлення про елементну базу та архітектуру цифрової, аналогової та гібридної обчислювальної техніки.
Цей невеликий та скромний перелік елементів накладає сильні обмеження на те, як може бути організована система. Наприклад, те, що пам'ять системи розташована в синапсах і розмазана по всьому мозку, зрозуміло і без останньої картинки. Їй просто нема де більше бути.
Негативний зворотний зв'язок
Для цілісного розуміння роботи мозку Важливо враховувати, що роботу мозку має сенс розглядати лише загалом із зовнішнім середовищем.
Мозок - це інформаційна система, що управляє взаємодією тіла із зовнішнім світом.
"Зовнішнє середовище - тіло - мозок - психіка (як інформаційна система) - мозок - тіло - зовнішнє середовище" пов'язані в кільце негативного зворотного зв'язку.
Тобто. загальна реакція організму - компенсувати вплив довкілля.
У тварин з найпростішою нервовою системою вона є "коротким замиканням проводів".
Принадність на картинці якраз з таких.
Суть такої нервової системи – загальна відповідь на будь-який одиничний подразник.
Що, погодьтеся, не найефективнішаСтратегія.
У складніших тварин замість короткого замикання з'являється логічна функція. Навіть функція із властивостями пам'яті.
А людина відрізняється від розвинених тварин єдиним обсягом логічних елементів.
Взагалі дуже цікаво почитати про тварин з найпростішою нервовою системою, щоб зрозуміти, як це все починалося.
Але найважливіше те, що існує інформаційний потік через інформаційну систему і він має дві важливі властивості:
- промодулювання структурою зовнішнього середовища
- негативним зворотним зв'язком системи
Завдяки цим двом властивостям усередині мозку у нейромережі утворюється структура, яку можна назвати внутрішнім відображенням реальності.
Саме на підставі цього відображення відбувається ухвалення та виконання всіх рішень, всіх дій організму.
Було б непогано, якби читач знав, як влаштовано пам'ять у комп'ютерах.
Рівень 1. Осередок пам'яті
У цифровій техніці, на нижньому рівні, інформація зазвичай зберігається у бінарних осередках. "0" чи "1" Тобто. є чорний ящик(тригер), на виході якого контакт із напругою нульового чи одиничного рівня. А за допомогою керування на вході можна встановити вихід в один із цих станів.
Аналогічний елемент у мозку – синапс. Він зберігає не бітове значення, а вага зв'язку, який цим синапсом закінчується, або ваговий коефіцієнт.
У суто цифровій техніці аналог синапсу - регістр:
Регістр зберігає не одиничний біт, а кілька біт (n), які управляються загальною логікою і можуть кодувати число станів 2 n.
У синапсі аналогічний пристрій реалізовано у аналоговому вигляді.
Дослідженняпроцесів запам'ятовування показали, що, у загальному випадку, вага синапсу (або "аналогове число", яке в ньому зберігається) зростає пропорційно до того, як часто цей синапс бере участь у збудженні нейрона. Вага синапсу росте разом із ним. Ось ще раз картинка про це.
Рівень 2. Доступ до осередків пам'яті
У процесах пам'яті важливим є не так те, як відбувається запам'ятовування, а скільки те, як відбувається доступ до інформації.
Для кращого розуміння того, як це відбувається в нейромережі, почнемо розгляд з того, як це відбувається у стандартних комп'ютерах.
У комп'ютерах дані зберігаються як величезного масиву однакових осередків. У рамках цього масиву всі дані легко зберігаються.
Вся обробка даних відбувається у процесорі.
Процесор отримує потрібні дані.
Процесор знає, як їх необхідно обробити та куди помістити результат.
Саме вони дозволяють процесору дістатися до потрібного осередку.
У нейромережі зовсім інша архітектура.
Дані зберігаються та обробляються за місцем зберігання у синапсі. Актом "обробки інформації" є збудження нейрона та зростання синапсу.
Найбільше це схоже на дорожню мережу, що складається із доріг різної ширини.
Нейрони – перехрестя. Товщина лінії пропорційна вазі синапсу.
Важливими є топологія і ширина дороги.
Топологія мережі невипадкова. Зовнішній потік – не білий шум. У ньому є структура. Конфігурація нейромережі – продукт цього зовнішнього інформаційного потоку. Він створює цю конфігурацію як вода великої річки створює дельту.
Для повноти картини вставимо нейромережу в організм, а його - в реальність:
Рівень 3. Усвідомлена пам'ять.
Цячастина піде окремим блоком після опису механізмів свідомості.
Підсвідомість.
Власне, основна ідея вже практично повністю описана у статті про пам'ять.
Мозок людини отримує інформацію від довкілля через рецептори.
І це інформаційний потік " проточує " русла " інформаційних " річок.
І замикає через реальність кільце негативного зворотного зв'язку.
Топологія, до речі, не така, як у Москві.
Нейросеть відображає навколишню реальність. Кожен нейрон має свій особливий сенс. Відповідає за свою крихітну частину цієї дійсності. Іноді навіть удається цей сенс визначити. Дуже просто з нейронами, до яких підключені рецептори та ефектори. Ця відповідність однозначна. У міру заглиблення в нейромережу рівень абстракції зростає. У зоровій корі живуть нейрони, які відповідають за образи, у зоні Брока – за мову, у лобових частках – за складні інтелектуальні поняття.
Загалом виглядає це приблизно ось так:
Ця гіпотеза знайшла деякі практичні докази.
Академік Костя Анохін розповідав про нещасного епілептика, якому колупали кору в лобових частках з метою знайти нейрон, який відповідає за напади. Його не знайшли. Натомість знайшли нейрон, який відгукувався на все поспіль, пов'язане з відомою актрисою Холлі Беррі.
А ось у наступному випадку мало того, що потрапили невипадково. взагалі зробили із мавпи справжнього кіборга.
Маніпулятор був закріплений біля лівого плеча піддослідних мавп, лапи яких було зафіксовано так, щоб вони не могли рухатися. Протягом кількох днів мавп навчали керувати рухами механічної руки. У результаті їхній мозок навчився сприймати її як "свою". Тварини могли не лише брати їжу,доносити до рота і відпускати, але також вони навчилися очищати "пальці" маніпулятора від пастили, що прилипла, і відщипувати від пропонованих ласощів невеликі шматочки.
Щоб сигнал від мозку мавп передавався маніпулятору, вчені ввели в рухову кору тварин близько ста електродів. Усі електроди, кожен із яких передавав комп'ютеру сигнал від однієї нейрона, розташовувалися у частині кори, що відповідає руху рук. Комп'ютер аналізував сигнали, що надходили від електродів, "визначав", що це за команда і передавав їх маніпулятору.
Це не перший експеримент такого роду. Раніше вчені показали, що рухами джойстика на екрані можна керувати, використовуючи мозкові сигнали паралізованих людей. Крім того, американські та японські вчені провели експеримент, у якому мозкова активність мавпи, що ходила біговою доріжкою, сприймалася і інтерпретувалася роботом, який, у результаті, точно копіював її рухи.
Проте, у цьому експерименті вченим вдалося показати, що мозок здатний сприймати зовнішній предмет як частину тіла. Шляхом тренувань можна змусити мозок навчитися керувати ним так само вільно, як і "рідними" кінцівками.
Про класику досліджень, коли при поразці певної частини мозку губилися певні функції, повторювати не буду.
Нагадаю лише про те, що часто уцілілі відділи мозку беруть він функції уражених. З часом. Вода дірочку знаходить.
Таким чином, коли збудження передається від одного нейрона до іншого відбувається перехід від одного елемента відображення до іншого. Працює асоціативний зв'язок.