Взгляд внутрь
В первой главе были рассмотрены вопросы как было, вскользь то, как есть, казалось бы, логичным посвятить следующую главу тому, как организовано настоящее и где те ниточки, за которые дёргают кукол. Но эта глава будет посвящена отнюдь не настоящему, а человеку, и даже глубже, устройству его нервной системы. Это не точное биолого-медицинское изложение с одной стороны и не точное изложение с математической позиции моделирования нейронных сетей, это некий популярный вариант доступный любому имеющему среднее образование за плечами.
Если хотите чтоб вас поняли, говорите просто, это не афоризм, а выраженный в литературную форму один из принципов, к рассмотрению которых мы и перейдём.
I. Краткая история нервных систем.
Как известно, одноклеточным организмам нервная система не требуется. Потребность в специализированных клетках-управленцах возникает, когда нужно обеспечить согласованное изменение состояния нескольких клеток.
Самая простая нервная система появляется у кишечнополостных, например, у гидры. В ней задействованы два типа нервных клеток.
Одни из них - рецепторы расположены в наружном клеточном слое (эктодерме). Другие - эффекторы - находятся в глубине организма, связаны друг с другом и с клетками, обеспечивающими ответную реакцию.
Раздражение любого участка поверхности тела гидры приводит к возбуждению глубже лежащих клеток, в результате чего живой многоклеточный организм проявляет двигательную активность, захватывает пищу или уходит от противника.
Нервная система 1-го поколения: РЕЦЕПТОР ЭФФЕКТОР.
Если сейчас мы вспомним СУ-1, то окажется, что она наиболее близко совпадает с принципами нейронных сетей 1-го поколения. У каждого нейрона (человека) есть некая общая модель реакции на внешнюю среду и каждый владеет всей картиной среды.
По мере роста числа нейронов и специализации органов организма стали формироваться локальные центры управления на уровне органов и подсистем, тут аналогия с помощниками 1 более чем просматривается.
В любом случае говорить о подобии отдельного нейрона, человека, общества вполне корректно, так как в каждом из них содержатся нейроны имеющие некие базовые принципы, только по мере подъёма по лестнице организации нарастают синергетические эффекты и появляется новое качество, тем не менее, базовые принципы нейрона просматриваются и на более высоких уровнях. Всё это говорит о том, что фундаментом психологии и социологии, обществоведения, как это ни странно, является нейробиология и прикладная математика нейронных сетей.
Но вернёмся вновь к нейронам в биологической эволюции. На втором этапе эволюции появляется узловая форма нервной системы.
У представителей сегментированных животных (например, у кольчатых червей) узлы расположены вдоль пищеварительной трубки и соединяются поперечными и продольными нервными стволами. От этих узлов отходят нервы, разветвления которых заканчиваются также в пределах данного сегмента. Такое сегментарное строение нервной системы позволяет при раздражении определенных участков поверхности тела животного не вовлекать в ответную реакцию все нервные клетки тела, а использовать только клетки данного сегмента.
Кроме того, появляется возможность ползать то есть обеспечивать скоординированное поведение всех сегментов.
Нервная система 2-го поколения: РЕЦЕПТОР УЗЕЛ ЭФФЕКТОР
Вновь вспомним СУ-2, есть главный иерарх управления и структурированные вниз узкоспециализированные сегменты. Причём следует обратить внимание на то, что если разделить червя пополам, то получатся два червя, функцию утраченной части берёт на себя последний нейрон и становится либо головой, либо хвостом червя. Точно так же в СУ-2, если разделить его пополам (полцарства) то получатся два одинаковых на первом этапе социума, конечно со временем они будут различаться за счёт разного опыта и условий, но на первом этапе они будут идентичны.
Но вновь вернемся к биологии.
На третьем этапе узлы нервной системы сливаются в один непрерывный тяж нервную трубку и формируют спинной и головной мозг. Примечательно, что строение нервной системы в виде нервной трубки характерно для всех представителей хордовых - от наиболее просто устроенных бесчерепных до млекопитающих животных и человека. При этом соблюдается все тот же принцип метамерности отростки нейронов, входящих в состав конкретного нервного сегмента, разветвляются, как правило, в определенном, соответствующем данному сегменту участке тела и его мускулатуре.
Появление в передней части тела органов чувств вызывает соответствующее развитие нервных центров, которые постепенно формируют головной мозг. В силу необходимости обеспечивать согласованную реакцию всего организма на события, зафиксированные органами чувств, нервные центры спинного мозга попадают в подчинение нервным центрам головного мозга.
Дальнейшее развитие нервной системы происходит по той же самой схеме: в головном мозге развиваются все новые нервные центры, лежащие все ближе к органам чувств (чтобы обеспечить максимально быструю реакцию), и подчиняют своему влиянию ранее существовавшие центры. В конечном счете, эти процессы приводят к появлению коры головного мозга, интегрирующей как текущие, так и прошлые показания органов чувств, что создает предпосылки для запоминания типовых ситуаций и формирования условных рефлексов.
Появляется память, и каждый отдельный организм на этом этапе становится уникальным его реакции теперь определяются не столько анатомией, сколько историей его жизни от рождения до текущего момента.
Нервная система 3-го поколения: РЕЦЕПТОР УЗЕЛ ПАМЯТЬ УЗЕЛ - ЭФФЕКТОР
И вот мы дошли до СУ-3 в её биологической реализации, что тут обращает на себя внимание, естественно память. Память это, прежде всего некая функция, которая может сохранять для организма полезные реакции.
Как парламент сохраняет полезные законы, так и мозг сохраняет полезные навыки. Путь эволюции слишком долог для быстро меняющейся среды, чтоб записывать это в генетический код организма или традиции и культуру народа, это долговременная и крайне медленная память. Функции оперативной памяти и сыграли нейроны памяти образующие кору мозга, они получали всегда питание только за то, что помнили и хранили информацию и могли по запросу её выдать.
В социуме появились люди, которые получали ресурсы только за то, что хранили и обрабатывали ОКМ социума выраженную в законах. При этом они, по крайней мере, на декларативной основе, а кое-где и всерьёз, руководствовались интересами всего социума. История в этом случае играла роль Природы, неадекватные ситуации социумы просто распадались и гибли.
Если вы подумали про элиту в одном отдельно взятом государстве простиравшемся на 1/6 суши, то я тоже подумал о нём, а так же ещё о некоторых. Но вернемся вновь в биологию.
На четвертом этапе развития нервной системы появляется человек. Об его отличиях от животных можно написать целые тома (и они написаны, см. например труды Поршнева и Семенова); однако с точки зрения анатомии нервной системы эволюция на нем заканчивается.
При рождении мозг человека устроен почти так же, как и мозг обезьяны; если человеческий ребенок не получает человеческого воспитания, его мозг так и остается обезьяньим.
Нервная система четвертого поколения отличается от предыдущего уже не анатомией, а особенностями функционирования. Она обладает способностью к изменению своей структуры под воздействием особых внешних воздействий воздействий других разумных существ.
В результате у наделенных такой нервной системой людей появляется уникальная способность осуществлять разное поведение в одних и тех же условиях. У них появляется сознание (разум), позволяющее выбирать между разными условными рефлексами.
А вот за обезьяну такой выбор делают обстоятельства.
Выражаясь метафорически, сознание это возможность пользоваться не только своей, но и чужой памятью. Так оно и пишется: со-знание.
Но это сознание не дается анатомически, от природы; оно должно быть сформировано уже при жизни организма, причем сформировано во взаимодействии с другим, ранее существовавшим знанием (памятью).
Нервная система 4-го поколения: РЕЦЕПТОР УЗЕЛ ПАМЯТЬ СОЗНАНИЕ (РАЗУМ) ПАМЯТЬ УЗЕЛ ЭФФЕКТОР.
Итак, сознание у человека появилось, значит может существовать некое общество наделенное собственным сознанием? Да. Такое общество, возможно, оно имеет индекс СУ-4 и называется нейросоц.
Не буду сейчас описывать его, тем более ему будет посвящена целая глава, а в последствии и целая книга, но главное, что следует уяснить, что эволюция социума не остановилось на СУ-3, новое сетевое общество СУ-4 это то, что ждёт всех нас в 21-м веке.
Я понимаю, что вы чувствуете некоторую неудовлетворенность от последних абзацев. Вместо раскрытия великой тайны что же такое Разум? говорится всего лишь о способности нервной системы к изменению своей структуры. Сама по себе такая способность еще не делает нервную систему разумной но без нее разум невозможен в принципе.
А вот чтобы понять, что же такое сам Разум, нужно рассмотреть нервную систему несколько подробнее.
А сейчас вернемся на миг в первую главу, как помните в СУ-3 ОКМ социума хранилась на внешнем носителе и включала в себя Информацию являющуюся производной памяти людей её готовившей. Таким образом, через эту систему люди обмениваются опытом, что можно, а что нельзя, что следует выполнять и каким образом. Т.е. идёт обмен сознанием одного человека с сознанием другого через неодушевлённый носитель.
Нет, разумеется, СУ-3 не является разумной, хотя бы в силу того, что Законы не пишутся и не модифицируются сами, но память у такого социального организма определённо есть.
II. Нейрон основной элемент биологических систем управления.
Как известно, в человеческом мозге насчитывается примерно триллион нейронов. Вообще говоря, не так уж и много если считать нейрон за байт, можно их все записать на 1000Gb диск за какую-то тысячу долларов. Однако возможности человеческого мозга несколько превышают возможности Пентиума со 1000-гигабайтным винтом.
Связано это с тем обстоятельством, что нейрон это далеко не один байт.
Чтобы в этом убедиться, достаточно посмотреть на рисунок:
Примерно так выглядят естественные нейроны.
Биологически нейрон представляет собой обычную (точнее, не совсем обычную) клетку, специализированную на передаче управляющих импульсов (не только электрических). В составе типичного нейрона обычно выделяют:
- дендриты многочисленные короткие отростки, через которые в нейрон поступает входная информация,
- аксон как правило, один длинный отросток (от 0,1мм до 1 метра), через который нейрон выдает выходную информацию;
- синапсы, или синаптические окончания участки стыковки дендритов и аксонов, непосредственно обеспечивающие передачу нервных сигналов от клетки к клетке.
Передача сигналов в нервной системе осуществляется совсем не так, как в микропроцессоре. Нейрон порождает электрические импульсы, которые проходят по аксону и возбуждают его синапсы. Параметры таких импульсов едины для всех типов нейронов длительность единичного тика 1мс, амплитуда 100мВ, минимальная пауза между импульсами порядка 4мс (можно сказать, что наша биологическая нейросеть работает на частоте в 200Гц). Получив импульс, синапсы аксона начинают выделять в окружающую среду специальные молекулы нейротрансмиттеры.
Попадая на синапсы дендритов, эти нейротрансмиттеры (всего их около 30 разновидностей) могут оказывать на них как возбуждающее, так и тормозящее действие. Таким образом, одиночный импульс, прошедший по аксону, может нести в себе гораздо больше информации, чем привычное для программиста машинное слово.
Кроме того, понимание этого импульса дендритами зависит еще и от общего состояния головного мозга когда в нем циркулирует алкоголь, взаимодействие нейронов приобретает довольно причудливые формы.
Итак, нейрон сам по себе является достаточно сложным устройством (фактически, это целый ионный микрокомпьютер размером с клетку). Представлять его в виде примитивного сумматора получаемых дендритами импульсов можно было разве что на заре компьютерной эры:
Первый искусственный нейрон - персептрон Маккалока-Питтса. 1946 год Сегодня мы уже хорошо понимаем, что между естественным нейроном и его самыми изощренными реализациями (самая свежая STANNO, Self-Training Artificial Neural Network Object), основанными на подобных формальных моделях, лежит пропасть. И пропасть эта заключается прежде всего в том, что формальные нейроны остаются мертвыми.
В отличие от живых, биологических нейронов, у них нет необходимости бороться за существование.
III. Жизненная цель нейрона.
Сначала - несколько не общеизвестных фактов. Мозг человека, составляя 2% от массы тела, потребляет 20% вдыхаемого кислорода. На питание мозга постоянно расходуется 20Вт мощности вне зависимости от того, спит человек или бодрствует (есть данные, что во сне энергопотребление мозга даже повышается).
Фактически, мозг это самый прожорливый орган нашего тела.
Куда же уходит вся эта прорва энергии? Нетрудно догадаться, куда: на питание нейронов. Это только на формальных схемах нейрон большая сигма в квадратике; на деле же это клетка, которая должна получать из окружающих ее кровеносных сосудов питательные вещества, выращивать вовне дендриты и аксоны, регулировать свою внутреннюю среду...
Словом должна бороться за свое место под солнцем, иначе дело может кончиться совсем плохо (вы помните, что нервные клетки не восстанавливаются).
Что должен делать нейрон, чтобы жить и развиваться? Да очень просто выполнять свою функцию! Возбужденный нейрон за счёт химических реакций оказывает воздействие на мембрану клетки, заставляет расширяться окружающие его кровеносные сосуды и тем самым получает больший поток потребных ресурсов. Активный, то есть принимающий и проводящий импульсы нейрон получает лучшее питание.
А это - возможность строить новые дендриты и находить новые аксоны, то есть и дальше усиливать свою активность.
Таким образом, нейрону не все равно, в каком состоянии он находится. Состояние с высокой активностью поощряется, а состояние с низкой активностью наказывается. Вот в чем отличие живого нейрона от его механического аналога бюрократа, который одной рукой принимает бумаги, а другой передает их дальше по начальству.
Но у биологического нейрона имеется и вторая особенность, в корне отличающая его от винтика формальной системы управления. Его активность должна быть востребована.
Чтобы аксон мог передавать сигналы, на нем должны быть сформированы синапсы а они, как мы помним, возникают только при контактах с дендритами других нейронов. Каждый такой синапс может принять строго определенное количество нейротрансмиттеров, и количество это определяется принимающей (постсинаптической) стороной.
Поэтому результирующая активность нейрона зависит не только от количества (и качества) поступающих к нему сигналов, но и от количества других нейронов, готовых его выслушать.
Таким образом, каждый нейрон в своей долгой жизни имеет вполне конкретную Цель. Её можно сформулировать так:
Цель нейрона = Получить максимум Информации и быть максимально Полезным
Обратите внимание, что удовольствие нейрон получает в ситуации, когда его структура адекватна поступающей информации, а неудовольствие означает, что структуру надо менять, чтобы вновь стать адекватным окружающей среде. Назовем состояние нейрона со стабильно высокой активностью реализацией (ну не счастьем же его называть?), а состояние с опасно низкой активностью трансформацией (в лучшем случае в более активный нейрон, в худшем в совсем мертвый).
Как мы уже убедились, природа позаботилась о том, чтобы нейрон на собственной шкуре чувствовал, в каком состоянии хорошем или плохом он в каждый момент находится. И точно так же, как человеку, никакие силы на свете не могут гарантировать нейрону вечное блаженство.
Для того чтобы жить, нейрон обязан постоянно стремиться к реализации.
Действительно, если перенести этот принцип на человека, то он полностью укладывается в наблюдаемую действительность. Если человек делает то, что никому не нужно, то наивно ему ожидать от общества ресурсов, тут исхода два, так как человек мобилен в отличие от нейрона, искать общество или социум где его деятельность востребована, либо заниматься тем, что будет оценено социумом.
А теперь рассмотрите с точки зрения этого принципа поведение российских учёных с начала 90-х годов прошлого века. Наглядно? Теперь понятно, что депрессия и трансформация идут рука об руку, а реализация и воодушевление/драйв это тоже вполне парные явления. Но человек, разумеется, сложней нейрона, поэтому у наиболее развитых и сложных натур полные закрома ресурсов не всегда вызывают прилив оптимизма, зачастую напротив.
Дело тут в том, что не всё ограничивается этим законом, в дальнейшем будет показано, что мало быть упакованным снаружи, по настоящему сложным структурам для саморазвития необходимы другие сложные структуры, а вот здесь и начинаются проблемы.
Разряды нейрона не реакция на полученный синаптический приток, а активность, направленная в будущее. Человек, так же как и нейрон работает не только ради физического выживания, у него, как правило, есть цель в жизни, которой он старается достичь, т.е. имеет некую модель будущего и стремится к ней. Человек имеет свою КМч отражающую окружающий его мир и некую КМб (Когнитивную модель будущего) которая соответствует его состоянию реализации.
Т.е. человек как и нейрон устремлён в своих действиях в некое воображаемое будущее.
Итак, у нейрона, так же как и у человека, в этой жизни есть Цель. Как же он ее достигает?
IV. Принципы нейроматики.
Повторим то немногое, что мы уже знаем о нейроне. Цель жизни нейрона - получать извне, через дендриты, как можно больше информации, и отдавать ее через аксон в таком переработанном виде, в котором ее будут потреблять другие нейроны.
Поскольку нейрон никак не может заранее знать, какая информация и в каком месте будет востребована, для достижения реализации ему придется действовать методом проб и ошибок (нейрон не может прочитать подсказку в умной книге). Вырастив некий начальный набор дендритов, чуть-чуть отодвинув от себя аксон и настроив каким-то образом свою передаточную функцию, нейрон достигает определенного уровня возбуждения. Скорее всего, оно окажется достаточно далеко от реализации метод тыка редко приводит к успеху с первого раза.
Перед нейроном встает вопрос а что делать дальше?
В этом месте опять посмотрим на человека, человек начинает как правило поиск своего места в этой жизни с того, что налаживает отношения с своим ближайшим окружением и пытается делать нечто, что будет им востребовано. Короткие связи менее ресурсоёмки и более легки, поэтому их не имея значительных ресурсов, легче выстраивать. После он конечно выстроит более длинные, а следовательно и социально выгодные связи, но начинают все с малого. Сначала своя семья, потом близкие друзья, и только потом совсем далёкие люди.
Но не буду забегать вперёд и вернусь к нейрону.
Прежде всего, чтобы что-то делать дальше, нейрон должен иметь возможность оценить существующее положение дел. Оценивать его он может двумя способами. Во-первых, нейрон может сравнить свое текущее возбуждение с некоторым эталонным уровнем, соответствующим реализации. Однако такая интегральная оценка например, плохо, - мало что говорит нейрону о причинах этого плохо.
Второй способ, которым нейрон может оценить свою ситуацию это обратить внимание на процессы, происходящие в его собственных синаптических окончаниях. Достаточное ли количество синапсов образовалось на аксоне? Насколько активно эти синапсы передают информацию?
Чем одни синапсы отличаются от других? Получив такую информацию, нейрон может выбрать направление дальнейшего развития то ли удлинять аксон, разыскивая новые дендриты, то ли изменять выдаваемую вовне информацию, то ли делать что-то еще (об этом ниже).
Чтобы проявлять активность в окружающей его сложной среде, нейрон должен иметь от этой среды обратную связь.
Рис. 28.
Нейрон активен и доволен, только когда ему есть кому передавать сигналы. Первый принцип нейроматики принцип обратной связи. Представим теперь, что наш нейрон получил донесение от своих аксонных синапсов. Синапс 1 активен, успешно передает информацию а синапсы 2 - 999 работают фактически вхолостую.
Нейрон кричит во всю глотку а его никто не слушает!
Как вообще возможна такая ситуация? Да очень просто.
Бывало ли в Вашей жизни так, что вы попадали в компанию узких специалистов в той области, в которой сами абсолютно не компетентны? Ну и как? По сути, для Вас это был иностранный язык! Вы не готовы воспринимать эту информацию, она для Вас все равно что шум за окном.
Нетрудно предсказать, что вскоре Вы либо покинете такую компанию, либо попросите сменить тему. А ведь специалисты, быть может, говорили о каком-то выдающемся открытии, сообщая друг другу кучу важной информации!
Таким образом, какие бы великие истины не сообщал наш нейрон через синапс 1, его сообщение оказалось невостребованным большинством дендритов. Язык нейрона оказался им непонятен, его сигналы не попали в такт с их ожиданиями.
Чтобы информация пошла через оставшиеся синапсы, кто-то должен измениться либо сам нейрон, либо 1000 подключенных к нему дендритов. Понятно, что меняться придется именно нашему нейрону.
Таким образом слушатели через обратную связь сообщают певцу о своих вкусах и предпочтениях. Так что выбор у певца не велик, либо остаться без слушателей, либо петь то, что они хотят слышать. Он может постепенно увести их к тому, что ему нравится, но не сразу. Те, кто занимаются профессионально политикой, знают, что если надо повести толпу, надо сначала говорить то, что толпа хочет услышать, захватить её внимание, и только потом постепенно сдвигать в нужную сторону.
Обратная связь в этом случае играет колоссальную роль, именно по ней определяется допустимая скорость дрейфа.
Только что был сформулирован второй принцип нейроматики: выдаваемая нейроном информация должна соответствовать ожиданиям ее потребителей, т.е. других нейронов. Нейрон вынужден отбирать определенные (успешные) последовательности сигналов и отдавать им преимущество перед другими, которые не были востребованы. Этот принцип называется селективностью:
Рис. 29.
Чтобы иметь слушателей, нейрон должен настроиться на их волну. Второй принцип нейроматики принцип селективности. Ну что ж, селективность при наличии обратной связи великое дело. Нейрон начинает менять свою передаточную функцию, подстраиваясь под желания своих соседей, и очень скоро достигает куда более высокого уровня возбуждения, чем раньше.
Все хорошо?
Хорошо-то хорошо, но вот незадача: по прошествии какого-то времени возбуждение начинает постепенно уменьшаться. Информация, которая еще вчера нравилась нейронам-потребителям, теперь уже не вызывает у них прежнего отклика.
Вспоминая приведенный выше пример, это означает, что Вы выучили иностранный язык узких специалистов и поняли, что спорят они вовсе не о мировых истинах, а о значении поправочного коэффициента к плохо коррелированным рядам экспериментальных данных.
