Мозг и информация
Воронков Г.С
Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, Москва,
РоссияGSV@Gvoronkov.home.bio.msu.ru
Введение
Проблема
мозга. Как представлена информация в мозге? – так формулируется на последних крупных форумах основной вопрос, в который упирается понимание принципов организации мозговых механизмов, связанных с восприятием, памятью и мышлением.Основные парадигмы. Мозг отражает (моделирует) мир. Это представление старо как сам мир и всеми принимается, когда рассматривается на самом высоком уровне обобщения. Однако, оно имеет, по крайней мере, две разные интерпретации: 1) в мозгу есть модель и 2) сам мозг из нейронов есть модель. Согласно первой интерпретации, преобладающей в настоящее время, информация о внешнем мире кодируется рецепторами и в импульсной форме поступает по сенсорным путям в мозговые центры, где декодируется, обрабатыватся, интерпретируется и сохраняется в виде некоторой энграммы (модели), из которой снова извлекается в процессе мышления. Активность нейрона в этом представлении полифункциональна. Центральным понятием в этой интерпретации является понятие информации - как некоторой базовой сущности. Как это ни удивительно, но это понятие имеет > 20 определений и, следовательно, не имеет общепринятого, и эта ситуация сохраняется уже несколько десятков лет. Эту интерпретацию будет естественным именовать “информационной парадигмой”. Вторая интерпретация описывает мозговые процессы, не выходя за рамки общепринятого понятия “оригинал-модель”; в ней не остается места для какой-либо иной сущности, кроме оригинала и модели. Согласно этой интерпретации, рецепторы и нейроны наделены свойством активироваться только определенными стимулами (специфичность), то есть, поставлены в соответствие объектам\свойствам среды; они составляют нейронную модель среды. Активность нейрона в этой интерпретации монофункциональна (принцип “все или ничего”). Исторически, именно эта интерпретация в физиологии была первой, в явном и неявном виде она просматривается от Мюллера (1842) до наших дней (Хьюбел); первые отступления от неё совпадают с началом регистрации потенциалов действия; обычно эклектичное одновременное использование обеих интерпретаций. Эту, вторую, интерпретацию естественно именовать “модельной парадигмой”. Нейрокибернетика, нейроинформатика и искуственный интеллект. В основополагающей для теории нейросетей работе (Маккаллок, Питтс, 1943) авторы находились на позициях модельной парадигмы; явный переход на позиции информационной парадигмы начинается в 50-60-е годы; голоса в пользу первоначальной парадигмы, тем не менее, сохранялись (например, Аттли; Розенблатт). В настоящее время эти дисциплины декларируют информационную парадигму, хотя в неявном виде в значительной степени опираются на модельную парадигму. Испытывая трудности в моделировании интеллектуальных процессов, в особенности творческого мышления, они “заинтересованы” в понимании принципов мозговой деятельности. Имеются примеры работ, в которых выражено мнение, что решение проблемы видится в смене декларируемой парадигмы.
В основной части в обобщенной форме описываются мозговые процессы и явления, связанные с восприятием, памятью и мышлением и обычно рассматриваемые как информационные, с точки зрения модельной парадигмы, обозначаемой автором также как “модельный подход” и “парадигма оригинал-модель”, и делается попытка развить понятие “модель”.
Общее заключение содержит некоторые обобщения следствий, вытекающих из проведенного в содержательной части описания.
Основная часть
С излагаемой точки зрения, сенсорные системы (в целом сенсориум) есть нейронная модель внешней среды . Термин “нейронная модель среды” означает, что объектам среды и их свойствам (оригиналу) поставлены в соответствие нейроны мозга
(Рис.1). Нейронная модель относится к классу сложных моделей. Главное отличие этих моделей от простых – это наличие у них механизма реализации соответствия (МРС). Благодаря этому механизму, воздействующий на модель оригинал активирует поставленные в соответствие этому оригиналу нейроны. Простые же модели, например, такие как макет оригинала, или его оптическое отображение на бумаге не имеют МРС, хотя они и поставлены в соответствие оригиналам. Из неживых моделей таким МРС наделены, например, искусственные нейросети.
Рис.1. Иерархия и параллельность в организации среды и её нейронной модели
Как устроен МРС нейронной модели? Рассмотрим Типовую структуру (ТС) организации нейронов в модели (Рис.2).
Рис.2. Предполагаемая типовая структура нейронной организации в сенсориуме.
Рецепторы ТС активируются только соответствующими элементарными стимулами благодаря специфичности самих рецепторов. Механизмы специфичности рецепторов хорошо изучены в биологии.
Нейроны ТС активируются избирательно благодаря адресной проекции рецепторов: квазисимвольные нейроны имеют ту же избирательность, что и рецепторы - благодаря проекциям 1:1 (равно - благодаря адресно конвергирующим проекциям однородных рецепторов); символьные нейроны избирательны к сложным стимулам или классам - благодаря адресно конвергирующим проекциям разнородных рецепторов. Чем выше cинаптический уровень (СУ) в элементарном сенсориуме, тем к более сложным стимулам (классам) избирательны нейроны составляющих его ТС.
Рис.3. Типы конвергирующих входов у нейронов в сенсорном пути.
Конвергенция по типу конъюнкции обеспечивает избирательное активирование нейрона неразрывной совокупностью свойств объекта; конвергенция по типу
дизъюнкции обеспечивает избирательность к свойствам объекта по отдельности, как если бы они составляли некоторый класс; конвергенция с отрицанием сужает и класс и совокупность (Рис.3). Кроме того, можно показать, что конвергенция служит механизмом, обеспечивающим инвариантность избирательности - например, к силе стимула, размеру, месту в пространстве.Помимо названных выше механизмов МРС, имеют место по крайней мере три других способа (механизма) избирательного активирования нейронов. 1-й – пептидный, он обеспечивает изменение возбудимости групп нейронов, имеющих рецепторы к определенным веществам, выделяющимся из нейронов определенных ядерных структур.
2-й – “частотный”, он обеспечивает активирование нейронов путем изменения характера импульсации – частоты, длительности, ритмичности.Оба названные механизма выполняют несколько другие функции, чем МРС. 3-й – за счет изменения весов связей. Этот механизм принято считать основным МРС в искусственных нейросетях. В биологических сетях он выполняет другую функцию (см. ниже).Сенсорная среда (Рис. 4). Мозг моделирует только адекватную органам чувств среду,
неадекватная среда для мозга как бы не существует. Смоделированная среда есть знакомая часть среды, новая - может быть смоделирована, будучи воздействующей. Среда либо воздействует на нейронную модель – это актуальная часть среды, либо не воздействует – это потенциальная часть. Актуальная среда характеризуется рядом специфических свойств. Этими характеристиками актуальности являются временные и силовые параметры воздействующих объектов. Особой является “субъективная” характеристика – положительная или негативная значимость объекта в отношении модели. Этой характеристике поставлены в соответствие нейроны эмоциональной системы. Большей частью на нейронную модель воздействуют непосредственно не сами объекты, а их модели – например, оптические, акустические. Модели всегда представляют только некоторую часть (аспект) среды. Среда ( и\или её объекты) параллельно и иерархически составлены из более простых объектов (или свойств), это отражено и в организации нейронной модели (см. Рис.1 и 2).
Рис.4. Классификация внешней, “сенсорной”, среды.
Долговременная память (ДП) о потенциальной среде
это сама модель из нейронов, поставленных в соответствие объектам потенциальной среды. Актуальная среда представлена актуализированной частью ДП (см. на рис. 1 и 2). Актуальным характеристикам актуального стимула соответствуют функциональные параметры нейронов, например, силе стимула соответствует степень возбуждения соответствующих нейронов.Кратковременная память (КП) это память об актуальных характеристиках актуального стимула. Она сохраняется в виде повышенной возбудимости нейронов и проводимости путей к ним, то есть тем, что в совокупности обозначается в теории нейросетей как вес синапсов. Можно, таким образом, заметить отличие биологической сети (БНС) от искусственной нейронной сети (ИНС): в ИНС изменение весов синапсов принято считать основным механизмом реализации соответствия - МРС, тогда как в БНС изменение весов синапсов это механизм КП, то есть механизм памяти об актуальных характеристиках стимулов. Пост- и пресинаптическая пластичность и возбудимость нейронов обеспечиваются многими (уже достаточно хорошо изученными) механизмами, это проявляется в известном многообразии свойств КП.
В нейронной модели объект представлен и как целое, и как набор свойств. Так, на Рис.2 в ТС символьный нейрон АВ представляет объект АВ как целое; квазисимвольные нейроны представляют свойства А и В объекта АВ. Оба типа нейронов объединены положительной круговой связью. Такая организация обеспечивает
на некоторое время поддержание активности и её ритмизацию, что в свою очередь, обеспечивает устойчивое выделение активности из фона, синхронизацию и квантование активности. В элементарном сенсориуме (Рис. 2) символьные и квазисимвольные нейроны ТС более высокого СУ соответствуют более сложным объектам и более сложным их свойствам. По нисходящим связям квазисимвольных нейронов происходит детализация сложных свойств. Таким образом воспроизводимая на квазисимвольных нейронах картина может быть богаче, чем “ключевой стимул”, активирующий символьный нейрон; феноменологически это аналогично голографическому воспроизведению картины по её части.Организация ТС позволяет интерпретировать, что называется, зримым образом ряд лингвистических понятий: сам символьный нейрон выступает в роли имени объекта, активирование им квазисимвольных нейронов воспроизводит денотат, а активирование или повышение им возбудимости у других символьных нейронов (с помощью ассоциативных проекций) воспроизводит сигнификат (см. Рис.2). Последний отвечает таким понятиям как контекст, смысл, семантика.
Отметим ещё два важных момента. 1) МРС выступает как механизм эмерджентности – поскольку он обеспечивает возникновение новой избирательности у символьного нейрона по сравнению с предшествующими элементами; квазисимвольные нейроны таким свойством не обладают. 2) Независимую работу полей ТС можно интерпретировать следующим образом. Активность квазисимвольных полей есть коррелят модальных ощущений – видения, слышания и т. п.. Активность символьных полей – коррелят ощущения опознания объекта. Активность нейронов сигнификата - коррелят ощущение понимания контекста ситуации. Теоретически из такого представления следует возможность автономности разных ощущений , например, ощущение видения без опознания-понимания (что не кажется удивительным), и опознание-понимание без видения (что кажется парадоксальным, но, тем не менее, является уже фактически показанным в действительности – в виде феномена “слепозрения”). Сознание коррелирует, видимо, с активностью нейронов надмодальных полей.
Сложная система, составленная из ТС по типу вложенностей (см. Рис.2), теоретически, обеспечивает ряд функций, связанных с мышлением, если определить мышление как решение задач, базирующееся на процессе опознания и на процессе обучения. В случае мышления как опознания, решение задачи есть достижение определенной частью модели из ТС устойчивого состояния активности – своеобразного динамического аттрактора, где в качестве параметра порядка выступает ритмическая активность символьного нейрона одной из верхних ТС. В случае мышления по механизму обучения, решение - это достраивание недостающих ТС, что, фактически, равносильно образованию нового понятия (и затем - опознание). Для этого имеется достаточно богатый арсенал нейрофизиологических механизмов.
Формирование новой ТС, то есть постановка нового символьного нейрона в соответствие новому объекту (явлению)
, есть по сути эмерджентный процесс в мозге. Поэтому его можно рассматривать как процесс, лежащий в основе процесса творческого мышления.Языковую (ЯС) и моторные (МС) системы
можно рассматривать по аналогии с сенсориумом - как нейронные модели сред: ЯС – как модель языковой среды, МС – как модель мира двигательных образов. Обе системы могут быть построены из ТС (Рис. 5 и 6), но с определенной спецификой.
Рис.5. Нейронная модель языковой системы, связанной с сенсориумом.
Так, в ЯС в роли рецепторов выступают нейроны-слова, служащие в качестве ярлыков для нейронов-понятий – аналогов символьных нейронов (равно нейронов-смыслов) сенсориума; через взаимооднозначные связи нейронов-понятий с нейронами-смыслами ЯС неразрывно связана с сенсориумом, что позволяет осуществлять перевод образов и смыслов сенсориума в понятия и слова ЯС и обратно – перевод слов и понятий ЯС в смыслы и образы сенсориума.
В МС аналогом рецепторов выступают мотонейроны (с учетом обратной, по сравнению с сенсориумом, направленности процесса в МС); в качестве символьных нейронов – командные нейроны; на последние проецируюся символьные нейроны высоких уровней сенсориума.
Рис.6. Нейронная модель моторной системы, связанной с сенсориумом.
Заключение
Таким образом, в понятиях модельной парадигмы оказывается возможным, на наш взгляд, описывать проявления деятельности практически всего мозга. Сравнивая описания, сделанные с точки зрения информационной и модельной парадигм, можно увидеть за информационными терминами, обычными в текстах, следующие, определяемые в рамках парадигмы оригинал-модель, понятия: за термином информация скрывается понятие модель или промежуточная модель, иногда сам оригинал; за термином кодирование (представление информации в мозге) – процесс построения нейронной модели, то есть, постановка в соответствие элементам оригинала и оригиналу как целому элементов модели и формирование МРС этого соответствия; за терминами передача и извлечение информации – воздействие оригинала на МРС и актуализация соответствующих элементов в модели и т.д. Кажется очень вероятным, что в рамках этой парадигмы можно описать и более простые, то есть не-живые, “информационные” системы, тем более, что количественная теория информации полностью приложима и для модельной интерпретации “информационных” процессов. В таком случае, вопрос “Что есть информация?” решается сам собой, именно: в рамках модельной парадигмы он оказывается просто искусственным.
Такими же являются, очевидно, некоторые проблемные вопросы в отношении мозга, формулируемые с позиции информационной парадигмы (кодирование информации, извлечение и запись в ДП, взаимодействие ДП и КП, и другие). Помимо объяснительной значимости, модельная парадигма, снимая ряд этих вопросов (см. выше), открывает перспективы для конструктивного решения ряда других проблем (в частности, проблемы принципиальной нейронной архитектуры сенсорных, языковой, моторных и других систем мозга, проблемы “значения”, проблемы творческого мышления), попытка чего была предпринята в данной работе.
Заключая, следует подчеркнуть, однако, что такая проблема как “Что есть ощущение и сознание?” остается несмотря ни на что в своем первозданном, с позапрошлого века, виде, ибо, установление корреляции того или иного вида ощущения (и сознания) с активностью тех или иных нейронных полей – это ещё только лишь возможный путь к её пониманию.
Выборочный список работ автора по теме статьи:
Воронков Г.С.
Воронков Г.С. Модельный подход как новая парадигма в теории связи в сенсорных системах. // Вестн. Моск. ун-та. Сер.16. Биология, 1993, вып. 1, стр. 3-10.
Воронков Г. С. Языковая и сенсорная системы; некоторые параллели в принципах нейронной организации двух семиотических систем. // Вестник Моск. ун-та, Сер.16. Биология, 1994, вып. 1, стр. 3-9.
Воронков Г.С.
Гетерогенная конвергенция и принцип меченой линии в организации сенсорных систем. // Ж. "Биологические науки", Деп. ВИНИТИ, № 6940-83, 1983, 27 с.Воронков Г.С. К анализу принципов кодирования в сенсорных системах. // Ж. "Биологические науки", Деп. ВИНИТИ, № 2144-В88, 1988, 39 с.
Воронков Г.С., Рабинович З.Л. Сенсорная и языковая системы - две формы представления знаний. // Новости искусстенного интеллекта, 1993, № 2, стр. 116-124.
Воронков Г.С., Чечкин А.В. Проблемы моделирования сенсориума и языковой системы естественного интеллекта индивидуума. // Интеллектуальные системы, 1997, т. 2, № 1-4, стр. 35-54.
Воронков Г.С. , Изотов В.А. Компьютерное моделирование обработки информации в обонятельной системе. I. Модель структурно-функциональной организации нейронных элементов обонятельной луковицы и рецепторного эпителия; II. Механизмы опознания и кратковременного запоминания в обонятельной луковице: результаты компьютерного экспериментирования.
// Биофизика, 2001, т. 46, вып. 4, с. 696-708.
Воронков Г. С. Информация и мозг: взгляд нейрофизиолога.
// Нейрокомпьютеры: разработка, применение. 2002, № 1-2, с.79-88.