Напалков А.В., Прагина Л.Л. - Мозг человека и искуссвенный интеллект (960686), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Приведенные выводы на первый взгляд могут показаться неожиданными. Мы уже говорили о том, что создание новых алгоритмов, часто определяющих направление развития различных отделов математики, оказывалось возможным только в результате напряженного интуитивного мышления специалистов, о характере которого они сами не могли дать словесного отчета. Развитие математики было основано на построении логических систем доказательства теорем и создании эффективных методов расчета (решении задач).

Более широкая постановка проблемы, включающая рассмотрение вопросов о путях создания новых алгоритмов, о факторах, определяющих их основные свойства, отражает естественный ход развития науки. Поскольку развитие математики — это результат интеллектуальной деятельности человека, возможность формального описания механизмов работы мозга

58

долж-на была пролить свет и на решение проблем создания ее новых отделов.

В этой связи интересно отметить, что развитие многих (если не всех) направлений математики было тесно связано с анализом тех или иных сторон мыслительной деятельности человека (математическая логика, теория множеств и др.). Известно, что великий математик и философ Лейбниц, создатель теории дифференциальных и интегральных исчислений, ставил своей задачей не только построить новые отделы математики, но и понять, каким образом осуществляется процесс их построения при, работе мозга человека.

В наши дни постепенно приоткрывается занавес, скрывающий величайшие тайны природы. Перед человеком возникают, увлекательные картины, отражающие процесс творчества. В этом процессе существенную роль играет анализ взаимодействия человека с внешним миром, познание общих принципов организации окружающей нас внешней среды. Большой интерес представляет прогноз, сделанный известным математиком В. Н. Тростниковым: «Сейчас настало время, когда наука изучает или пытается изучать материю в самом общем понимании — неживую природу вместе с включенным в нее сознанием, представляющим в этом контексте высшую форму материи. Такой подход стимулируется, кроме всего прочего, возросшей активностью познающего и преобразующего мир человека и становится нормальным и закономерным подходом в эпоху научно-технической революции. Успешное продвижение по этой линии познания уже, видимо, не обеспечивается- традиционной математикой. В воздухе висит необходимость создания новой математики, лучше приспособленной к описанию ситуаций природа—человек, а может быть и нескольких математик.

Возможно, в будущем произойдет следующее: математика вступит в более тесную, чем ныне, связь с определенными разделами материалистической философии и психологии. Итак, образуется область, которую можно назвать «количественная гносеология» ¹.

Рассматривая величайшие достижения науки, основанные на использовании математики, все же при-

¹ Тростников. В. Н. Конструктивные процессы в математике. М., 1975, с. 251.

ходится признать, что они базируются на изучений внешнего мира, оторванного от созидательной деятельности человека, от его творческого мышления. На современном этапе развития науки, когда ставятся проблемы оптимизации структуры управления, включения вычислительных машин в процесс проектирования, -конструирования, уже недостаточно создавать автоматизированные системы, дополняющие мышление человека. Важно иметь средства формального описания информационных организаций, органически включающих интеллект человека в целостную систему. Алгоритмическое изучение работы мозга и построение моделей искусственного интеллекта должны сыграть при этом существенную роль.

ТЕОРИЯ АВТОМАТОВ В СИСТЕМЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЫСШЕЙ НЕРВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ

С помощью методики выявления алгоритмов удалось расшифровать механизмы многих ранее недоступных для анализа явлений, например таких, как обучение, восприятие информации, формирование понятий, концепций, доказательства правдоподобия версий и др. Однако создавалось впечатление, что по мере того, как исследователи раскрывали новые алгоритмы, они все дальше и дальше уходили от решения проблем нейрофизиологии, от ответов на вопрос, как работают нервные центры человеческого мозга и сложные организации нервных клеток, каким образом в результате их совокупной деятельности возникает способность к мышлению человека.

В период, предшествующий изучению алгоритмов, этот вопрос, казалось бы, решался достаточно просто. Субстратом осуществления условных рефлексов являлось формирование временных связей между нервными клетками. Задачи нейрофизиологии можно было свести к анализу биофизической и биохимической основы формирования таких связей. Выявление сложных систем правил работы мозга, алгоритмов приводило к разрушению этой «удобной» для исследователей ситуации.

Ученых заинтересовал вопрос, каким же образом при работе мозга может осуществляться сложное

60

преобразование информации. На смену представлениям о том, что функционирование нервных центров определяется динамикой двух основных процессов возбуждения и торможения, их иррадиацией, концентрацией, взаимной индукцией, приходила концепция о необходимости раскрытия роли структур мозга в процессе переработки информации, в формировании и взаимодействии новых сигналов, в осуществлении правил, работы алгоритмов и их взаимодействия. Если раньше нейрофизиолог, рассматривая под микроскопом картину сложнейших соединений в ансамбле нервных клеток, стремился представить себе возникновение новых связей между элементами, то теперь он видел всe другими глазами. Перед ним вставали значительно более сложные задачи: понять как в нейронных ансамблях реализуется работа алгоритмов. Оказалось необходимым использование достижений других отделов кибернетики.

В настоящее время разработан целый ряд разделов математики, которые не только дают возможно-сть проводить необходимые расчеты, но и приобретают решающее значение в раскрытии «существа» механизмов сложных явлений природы, К таким областям математики, в частности, относятся математическая логика и. теория автоматов. Они позволяют подойти к решению многих проблем. Оказывается возможным строить новые системы управления и переработки информации на основе использования формальных методов. Задание для построения такого автомата (синтеза автомата) может быть сформулировано на основе изучения биологической системы в форме описания поведения на языке математической логики. Метод «синтеза» обеспечивает возможность создания такого устройства, которое заведомо будет осуществлять заданное поведение. Наряду с этим большое значение имеет возможность анализа принципов организации ^изучаемого объекта. Рассматривая систему и определяя, каким образом соединены ее элементы, можно выяснить, какое именно поведение она будет осуществлять при своем функционировании.

Развитие теории автоматов продемонстрировало ряд интересных возможностей, которые привлекли внимание физиологов и философов. Как мы уже говорили ранее, одной из основных проблем, возникающих

61

при изучении работы мозга, была проблема перехода от изучения систем нервных элементов, объединенных в сложные конструкции, к анализу осуществляемого системой поведения. В течение длительного времени считали, что эта проблема далека от разрешения. Мы уже говорили о том, что в настоящее время специалисты в области физиологии располагают значительным объемом данных об организации отдельных нейронов, о способах их связи друг с другом. Основная проблема заключается в том, каким образом изучить те сложные организации (сети), которые возникают в результате взаимодействия большого количества элементов. Именно в этих системах появляются новые в качественном отношении явления, которые становятся основой сложных форм работы мозга (поведения). Для изучения такого взаимодействия до последнего времени не удавалось разработать достаточно эффективных методов исследования.

Разработка теории автоматов предлагала в данном случае достаточно простое и эффективное средство. Оно было основано на сочетании экспериментальных и теоретических методов. Если перед физиологами возникала задача выяснить, как организована структура сети нервных элементов и каким образом она приводит к возникновению изучаемого поведения, то можно было применить прием построения теоретических моделей. Метод синтеза автоматов позволял теоретически построить модель или несколько различных моделей, которые заведомо осуществляли исследуемое поведение. После этого можно было организовать эксперименты по проверке справедливости гипотез о целостной организации систем и, отбросив ошибочные варианты, доказать истинность одной из схем. Например, изучив поведение паука, который плетет паутину, или пчелы, которая производит достаточно сложную и весьма кропотливую работу, связанную со строительством сот для упаковки меда, можно было сначала теоретически построить модель структуры, которая заведомо будет осуществлять данное поведение. Затем можно было использовать эту теоретическую модель как гипотезу для экспериментального изучения организации и принципов взаимодействия систем нервных клеток в процессе работы нервной системы насекомого. Построенные на основе гипотезы предсказа-ния

62

о характере активности нервных клеток в различных условиях должны были быть сопоставлены с результатами эксперимента. Следует отметить, что подобные приемы исследования, связанные с построением целостных гипотез, используются почти во всех областях науки. Невозможно себе представить, Например, развитие современной физики и химии без использования теории, позволяющей строить и проверять экспериментально целостные концепции.

Преимущества такого подхода очевидны. Он' позволяет преодолеть трудности, которые возникают при экспериментальном изучении целостных сложных информационных систем, не поддающихся расшифровке на основе непосредственного обобщения экспериментальных данных. Использование теории автоматов могло решить эту проблему. Можно было теоретически подойти к изучению организации систем нервных элементов работы мозга, выявить специфику возникающих новых явлений и таким образом приблизиться к разгадке и этой тайны природы.

Однако на путях развития этого направления нейрокибернетики появились неожиданные, но существенные трудности. Для того чтобы выяснить их причины, вернемся к рассмотрению уже описанной ранее модели обучающегося автомата, созданного студентами Московского энергетического института. На основе использования теории автоматов достаточно просто построить модель формирования цепей условных рефлексов. Была создана структура типа «обучающихся матриц». Но при этом оказалось необходимым повторять схему выработки условного рефлекса много раз. Это приводило к дублированию элементов и в то же самое время к ограничению числа возможных используемых действий. Таким образом, схема была далека от совершенства.

Возникали и другие доводы, говорящие о том, что схемы, созданные при разработке «обучающихся матриц», не могли быть эффективно использованы как теоретическая основа для изучения мозга. Дело в том, что если в этой системе исключить работу какого-либо элемента, то это приведет к строго локальным изменениям в формировании поведенческих реакций. Как известно, подобное явление при разрушении частей мозга отсутствует. В этом случае происходит

63

компенсация функций, и часто даже при значительных поражениях нервной, ткани видимых изменений в поведении человека и животного не наблюдается.

Наиболее существенные недостатки автомата заключались, как мы уже говорили, в том, что эта модель не обеспечивала возможности формирования целесообразного поведения в сложных условиях внешней среды. Следовательно, ее устройство не отражало основных принципов функционирования реальных механизмов работы мозга. При этом трудности были связаны не с решением задачи реализации заданного поведения в структуре автомата,' а в необходимости раскрытия алгоритмов работы мозга. Теория автоматов не решала эту проблему.

Теория автоматов действительно обеспечивает возможность представления любого поведения в виде физического устройства. Однако возникает вопрос, что именно нужно реализовать в структуре автомата, чтобы получить элементы искусственного интеллекта — конкретное поведение человека или животного, например поведение обезьяны, строящей пирамиды из ящиков? Такой автомат можно было создать, но его работа будет отражать только один из частных результатов внешнего проявления процесса мышления, а не действительные механизмы работы мозга обезьяны. Можно было реализовать в автомате правила выработки условного рефлекса или системы условных рефлексов. Но мы видели, что при этом также не удавалось получить достаточно эффективных моделей работы мозга.

Напрашивался вывод, что, прежде чем начать применять теорию автоматов, нужно выявить ту информационную основу (алгоритмы), которая должна быть реализована на физико-химическом субстрате. Сначала необходимо изучить алгоритмы и информационные механизмы работы мозга. Именно они, а не частное поведение, проявляющееся в различных ситуациях, должны стать основой для построения кибернетических моделей.

Для того чтобы можно было осуществить успешное построение теоретических гипотез об организации сети нейронов, нужно было прежде всего выяснить, какие именно задачи решаются исследуемым отделом мозга и какие алгоритмы лежат в основе решения,

64

Между тем исследователи, пытающиеся использовать теорию автоматов, как правило, не располагают такими сведениями. Они основываются на использовании таких понятий, как обучение, формирование рефлексов. Однако эти виды деятельности являются результатом работы всего мозга в целом и. не отражают тех локальных задач и процессов, которые составляют .основу работы исследуемых отделов нервных центров.

При осуществлении попытки применения теории, автоматов не учитывалась также возможность использования более сложных принципов организации взаимоотношения между работой алгоритмов и их реализацией в физико-химических системах. Во многих случаях непосредственная реализация алгоритма в структуре автомата нецелесообразна. Если кибернетическая система должна обеспечить одновременную работу многих алгоритмов, необходимо их объединить в единую систему (осуществление информационного синтеза), В результате такой процедуры возникает новая организация, описываемая новым обобщенным языком. Именно такая организация, а не отдельные алгоритмы должна быть реализована в структуре автомата. Но в этом случае уже не удастся установить непосредственного соответствия элементов алгоритма и тем более поведения со структурой автомата. - -

Характеристики

Список файлов книги