Глава 2.
Синтез и анализ.
Долгосрочная память

Для построения модели будем рассматривать структуры, начиная с уровня клеток, – нейронов и рецепторов. При этом они будут описаны как структурные единицы с набором самых основных свойств. Более детальным их рассмотрением занимаются нейрофизиологи. Задача этой книги – описать общий смысл всей структуры ЦНС.

Для тех, кто не знаком с нейрофизиологией потребуется описать, что представляет собой нейрон в самом упрощённом виде. Это - клетка, которая может принимать и передавать электрический заряд. Принимать может от рецепторов (чувствительных к внешним воздействиям клеток), или от других нейронов. А передавать может в мышечные клетки (которые и выполняют действие) или в другие нейроны. Передача заряда осуществляется через отросток, называемый аксон. Аксон не непосредственно соединяется с другими клетками, а при помощи так называемых синапсов (можно это назвать бесконтактным соединением), в которых сигнал может преобразовываться. Отрезок входящей связи между синапсом и нейроном называют дендрит. И прием, и передачу один нейрон может вести с большим количеством других клеток.

Для объяснения модели этих знаний достаточно. Важно найти условие, при котором осуществляется импульс (передача). А также необходимо понять по какому принципу образуются связи.

Как было сказано в первой главе, первое, что нам необходимо – это способность распознавать объекты окружающего мира. Любой объект представляет сложную комбинацию из простых элементов. Они объединяются в различных комбинациях в структуры, каждую из которых можно представить как простой элемент следующего уровня сложности. И так далее повторяется усложнение структуры. Этот принцип возьмем за основу механизма распознавания. Из двух определенных элементов может быть только лишь одна комбинация, которой можно присвоить имя, получив тем самым новый простой элемент. Реализуем это на нейронах.

Так как наша нейронная сеть должна на одной структуре решать любые задачи, которые решает ЦНС, то для удобства демонстрации возьмем распознавание речи. На рисунке показаны как два нейрона с именем А и Б образуют комбинацию, которая выделяется в один нейрон с условным именем АБ. Почему условным? Потому что такого элемента нет в реальном мире. Есть лишь комбинация из А и Б. Как это работает? Представим, что нейроны А и Б получили сигналы от условных рецепторов, которые реагируют на звуки А и Б соответственно. И при этом событии в верхнем уровне выделяется свободный нейрон АБ, на который создаются связи-аксоны от образовавших его составляющих.

Как говорилось ранее, механизмы ЦНС могут иметь двойное назначение. Что, если активировался сначала рецептор А, а затем Б? Мы можем получить событие А-Б, если зададим направление.

Таким образом нейрон АБ может обозначать событие А-Б. А если сначала мы услышим Б, а потом А? В этом случае нам потребуется еще один ассоциирующий нейрон. Это положение исходит из того факта, что в языке имеется множество слов, которые при обратном прочтении полностью меняют смысл.

Возникает вопрос – если от А и Б связи одинаковые на оба ассоциирующих нейрона, то по какому принципу выбирается один из них? Ответ кроется в неравнозначности связей и повторяющихся сигналах, о чем будет сказано в следующих главах.

Видно, что объект и событие для нас воспринимаются одинаково. И это очень важно понимать. Мы способны воспринимать объект как событие и событие как объект. Например, мы даем названия музыкальным композициям, которые являются последовательностью звуков (событий). Можно даже сказать, что для нас существуют лишь только события, а объекты — это устойчивые цепочки событий. Да и как мы могли бы воспринимать время, если не устанавливать связь между состояниями постоянно меняющегося объекта? Может ли камень, пролежавший век, что-нибудь знать о времени, если у него нет механизма запоминания последовательности событий? Думаю, будет правильным употреблять далее нераздельное понятие «объект-событие», подобно «пространству-времени» в физике.

Такое понимание дает возможность воспринимать мир в динамике. В последующих главах вы увидите, как благодаря этому мы можем восстанавливать образы, воображать, фантазировать, мечтать.

2

Итак, способность запоминать события является подцелью для реализации распознавания и предвидения. Как можно реализовать это на нейронной сети? На примере, представленном выше, это выглядит следующим образом. Запомнив объект-событие «А-Б» с помощью установления связей в следующий раз, когда мы получаем только событие «А», нейрон «А» заряжает нейрон «Б» и нейрон «АБ». В свою очередь нейрон «Б» дает заряд также на «АБ». Разрядившись, нейрон «АБ» сообщает нам информацию о предполагаемом объекте-событии «А-Б». В случае, если сначала мы получаем событие «Б», то на выходе мы получим объект-событие «Б-А».

Это простейший пример, приведенный на двух рецепторах. Но организм содержит целые поля таких рецепторов. И нам потребуется постепенно усложнять структуру сети для возможности работы в огромном потоке информации.

Предположим, что мы запомнили много разных событий, началом которых всегда являлось «А». Получаем таким образом сеть в виде звезды, центром которой является «А». Вопрос: по какому пути мы пойдем, получив событие «А»? И здесь можно воспользоваться известным правилом канадского нейропсихолога Дональда Хебба, которое звучит так: «Если аксон клетки А находится достаточно близко, чтобы возбуждать клетку B, и неоднократно или постоянно принимает участие в ее возбуждении, то наблюдается некоторый процесс роста или метаболических изменений в одной или обеих клетках, ведущий к увеличению эффективности А, как одной из клеток возбуждающих В».

То есть связь может иметь некоторую пропускную способность сигнала, которая увеличивается вследствие повторения одних и тех же событий. Исходя из этого можно заключить, что в первую очередь сработает то событие, которое нам встречалось чаще.

Пока мы рассматривали только синтез, который позволяет распознавать объекты-события. Но для целей воспроизведения каких-либо двигательных действий потребуется и анализ. Забегая вперед, скажу, что этот механизм требуется и для других целей, про которые будет сказано далее.

Если в нашей схеме поменять направление вертикальных стрелок, то мы получим так называемое «дерево» - одна из наиболее широко распространённых структур данных в информатике. Только здесь будут присутствовать и горизонтальные связи. В этом виде сеть начинает свою работу при подаче сигнала в верхний нейрон (корень дерева). При подаче на нейрон АБ возбуждающего сигнала, он дает импульс на А и Б. Притом, на А заряда приходится больше. Если до этого на А приходил сигнал от предыдущего события, то выбор, какому нейрону сработать первым, становится очевидным.

Исходящие связи от А и Б (на рисунке показаны внизу) соединяются с мышцами-эффекторами. Таким образом можно получить последовательное движение.

Мы получили две схемы, одна из которых осуществляет синтез, тем самым выделяя объекты-события окружающего мира. Другая же осуществляет анализ, который необходим для реализации ответных действий, или действий, направленных на достижение главной цели.

3

Эти схемы являются зеркальным отображением друг друга. Можно ли их представить как одну? Ответ – нет, потому что получится неработающая структура из связей, направленных в обе стороны из одних и тех же нейронов. Вернее предположить, что оба этих дерева существуют параллельно и образуются одновременно. И каждый узел-нейрон одного дерева связан с своим двойником в другом дереве.

Нижние узлы восходящего (синтезирующего) дерева принимают сигнал от рецепторов, а нижние узлы нисходящего (анализирующего) дерева дают сигнал на мышцы-эффекторы.

Нам известно, что каждое мышечное волокно имеет рецептор, который дает сигнал при сокращении этого волокна. Для чего это нужно? Последовательность рецепторных сигналов синтезируется в восходящем дереве, при этом параллельно прописываясь в нисходящем. Таким образом, верхние нейроны каждого их этих симметричных деревьев являются их корнями. И при подаче сигнала на корень нисходящего дерева мы можем повторить это движение (эту последовательность). При этом горизонтальные связи между рецепторами являются подтверждающим сигналом выполнения работы каждого мышечного волокна, что дает возможность перехода к следующему действию.

Так как подробное описание этого механизма сложно для восприятия широкому кругу читателей, то в этой книге ограничимся изложением общего принципа, не вдаваясь в детали. Надо сказать, что при углублении в мелкие детали, нас может подстерегать опасность потери понимания общей структуры.

Схема, представленная выше, применяется как для органов, осуществляющих движения (мышцы), так и для исключительно рецептивных органов, таких как слух или зрение. К такому пониманию можно прийти, если пытаться дать ответ на вопрос – как мы можем воспроизводить звуки мысленно в своей голове. И не просто звуки, а целые музыкальные композиции в подробностях? Или как нам снятся сны? Как мы можем мысленно представить какую-либо картинку, закрыв глаза? Но что же тогда является мышцей-эффектором в органах слухи или зрения? Ответ прост: нижний нейрон-эффектор должен замыкаться на рецептор.

Если внимательно посмотреть на схему, то можно увидеть, что любой нейрон в любом слое может выполнять функцию как рецептора, так и эффектора. Получая информацию по дендритам и передавая ее далее по аксону вверх, он действует как рецептор, а в случае передачи вниз – как эффектор. И если развернуть какое-либо дерево на 180 градусов, то оно ничем не будет отличаться от своего двойника.

Опубликовано 23.11.2019