CC BY
88
Нейронные сети и когнитивные технологии:
прошлое, настоящее или будущее?
Резюме. Статья содержит ряд постановочных вопросов, обсуждаемых учеными, изучающими проблемы функционирования мозга, на многие из которых пока нет однозначных ответов. Авторы дают пояснения, исходя прежде всего из современных знаний о строении человеческого мозга, из познаваемости его структуры и из того, что психоанализ, как и предшествовавшая ему дисциплина философия, рассматривает мозг как черный ящик, как нечто неведомое и, соответственно, не может дать полной картины о когнитивных возможностях. Ключевые слова: нейронные сети, когнитивные технологии.
Каждый человек, независимо от уровня образования и тематической направленности своей деятельности, пользуется уникальным творением, созданным природой в результате естественной эволюции,- человеческим мозгом. Однако лишь некоторые ставят вопросы о принципах его работы. Как удается миллиардам нервных и глиальных клеток в головном, спинном мозге и в ганглиях объединять в единое целое сложные функциональные системы дыхания, кровообращения, пищеварения, воспроизведения себе подобных. Благодаря им организм адаптируется к внешним условиям и одновременно трансформирует внутреннюю и окружающую среду по своим потребностям.
Владимир Кульчицкий,
заместитель директора по научной работе Института физиологии НАН Беларуси, член-корреспондент
Сергей Килин,
заместитель Председателя Президиума НАН Беларуси, академик
К сожалению, порой эти изменения люди производят слишком эгоистично и нерационально. В итоге в человеческом теле формируются условия для развития различных заболеваний, а внешняя среда не успевает приспособиться к «преобразовательной деятельности homo sapiens» и начинает постепенно разрушаться.
Что побуждает индивидуума к творчеству, совершению открытий, познанию самого себя и природы? Причины осознанной и подсознательной деятельности целесообразно искать на уровне популяций нервных клеток головного мозга, отростки которых с помощью уни-
кальных контактов (синапсов) формируют нейронные сети [2]. В итоге создаются условия для быстрого обмена сигналами между нервными клетками. Время их передачи с помощью химического посредника (медиатора) в одном синапсе составляет доли миллисекунд, что позволяет рассчитать количество синаптических контактов при оценке ответных реакций. Через электрические синапсы информация передается быстрее (микросекунды), что особенно важно в экстремальных ситуациях. Истоки индивидуальности и разнообразия когнитивных наклонностей связаны с огромным числом синапсов, которых в моз-
ге человека больше, чем звезд во Вселенной, и с еще большим числом возможных связей, образующих нейронные сети. И эти индивидуальные особенности когнитивных функций, определяющие личность, формируются с момента рождения.
Как кодируется информация в нейронных сетях? Вопрос нетривиальный, от его решения зависит развитие нейроком-пьютерных и когнитивных технологий, создание сложных социальных роботов, способных обучаться и развиваться. В процессе эволюции в мозге сформировался своеобразный фрактальный принцип распределения нервных и глиальных клеток (кстати, нейронов в мозге примерно в 10 раз меньше, чем глиальных элементов), усовершенствованный в силу объединения клеток в нейронные сети. Множество контактов отдельного нейрона (104—106), включающих обратные связи, - основа для постоянного информирования нервных клеток о событиях в мозге, во внутренней и внешней среде. Это не значит, что нейрон мгновенно реагирует на каждый новый сигнал в нейронной цепи, даже если он порогового уровня. Ответ в живой ткани определяется не только параметрами действующего стимула, но и функциональным состоянием ее элементов. Кодирование информации не сводится только к пространственно-временному распределению электрических разрядов нервной клетки. Множество сигнальных молекул -от классических нейромедиа-торов (глутамат, ацетилхолин, серотонин, допамин) до газообразных молекул (монооксид азота, сероводород, монооксид углерода) и пептидов (субстанция Р, эндорфины, энкефалины, соматотропин) - принимают участие в передаче данных от рецепторов в мозг, между нервными
клетками, и от нейронов к исполнительным органам [2, 3]. Помимо этого биохимические каскады внутри каждой нервной клетки являются ключевыми в обработке поступающих сигналов, определении приоритетности информации в каждый момент времени, реализации процессов запоминания и извлечения сведений при необходимости.
Как информация хранится в мозге и извлекается в нужный момент в разнообразном виде и формах - образов, чувств, эмоций? На эту тему существует много исследований, однако, если быть честным, исчерпывающих сведений о хранении данных в мозге нет. Каждый человек на основании собственного опыта или знаний других понимает, что именно головной мозг является хранителем информации. Даже легкое его сотрясение сопровождается нарушением памяти. Известны конкретные области этого органа и даже популяции нервных клеток, отвечающие за определенные виды памяти - кратковременную, долговременную. Так, роль своеобразного дирижера в процессах запоминания и обучения выполняют нейронные сети гиппокампа, которые совместно с височной долей играют ключевую роль в способности накопления информации и усвоения знаний.
Значимость «электрического компонента» в хранении информации находится до сих пор на начальном этапе процесса познания. Новым подтверждением его роли стали данные о прогрессирующем улучшении памяти у пациентов с травмами мозга после транскраниальной стимуляции или вживления в его зоны электрических устройств с микроэлектродами [3]. Помимо улучшения декларативной памяти такие приспособления перспективны для восстановле-
ния контроля движения конечностями [3]. Аксиомой является то, что при поступлении в мозг новой информации происходят и структурные, и функциональные изменения на уровне синапсов, генетических программ, сигнальных молекул -нейромедиаторов, цитокинов и быстрых генов. Эти трансформации отличаются при разных видах памяти, к примеру при кратковременной (имя нового знакомого, время начала представления) и долговременной (профессиональные навыки).
Что является базовой основой когнитивных функций? Анализ этих особенностей проводится путем наблюдения повседневной деятельности (творчество личности, поведение в экстремальных ситуациях, логические умозаключения в ходе работы по профессии) или в процессе специальных изысканий (тестирование по различным программам, исследование патологий). Одним из наиболее интригующих аспектов когнитивных функций является активная деятельность мозга во время относительного покоя организма. В состоянии кажущегося бездействия человека мозг потребляет 20-25% всего кислорода в теле при распределении в сосудах данного органа до 25% сердечного выброса. Иммануил Кант уединялся в кабинете почти на весь день, исключая длительные ежедневные прогулки по «тропе Канта». Гений философии прожил всю жизнь в Кенигсберге среди книг и собственных мыслей. Итогом такого затворничества стал апофеоз когнитивных размышлений. Что являлось стимулом для такой деятельности Канта?
Когда у бодрствующего человека закрыты глаза, он продолжает активно наслаждаться разнообразным миром оптических впечатлений. А ведь
зрительным анализатор - это источник 80-90% всех афферентных сигналов в мозг. Во время сна анализируются сложнейшие поведенческие ситуации. В этом смысле можно предположить, что порой сознательная жизнь человека является сном во время бодрствования. Основа когнитивных функций - функционально активные нейронные сети головного мозга с уникальной способностью формирования пространственно-временных зависимостей от квантового до аналогового уровня. Фрак-тальность и интеграция информации обеспечиваются множеством сигнальных молекул, гетерогенность которых, в свою очередь, - основа индивидуальности когнитивных функций и незаурядности человека.
Как на основе познания мозг способен предвосхищать будущее? Умение предвидеть, отдалять или приближать реальность кажется фантастикой. Однако можно констатировать: с учетом особенностей мозга и всего организма окружающие события постоянно анализируются и затем после сопоставления с накопленной информацией (памятью) у нас формируется представление о будущем. Как мозг человека моделирует еще несуществующие ситуации? Умение мечтать развивается в раннем возрасте. Доминирование мечтаний в инфантильной форме наблюдается у зрелых и пожилых людей. Достаточно вспомнить образ Обломова. «Our hypotheses to die in your stead» -«Наши гипотезы умирают вместо нас» [4]. А как реализовать без мечтаний задуманное в будущем? Методы нейрофизиологии позволяют провести корреляцию между электрической и биохимической активностью мозга, состоянием кровотока в его сосудах и контролем проявления ментальных функций. Не более.
Далее начинаются спекуляции. Предполагают, что внутри мозга каждого человека формируется модель действий. При этом Аристотель полагал, что память является основой будущего. Это не аллегория. Для представления о завтрашнем дне и генерации идей необходимо разнообразное взаимодействие нейронов с обращением к информации о прошлом. Во мнениях о будущем реально проявляются механизмы пластичности мозга.
Нужны ли при разработке когнитивных технологий и социальных роботов модели эмоций? Нужны ли мотивации, инстинкты и эмоции будущим совершенным, автономным, социальным роботам, способным формировать сообщества и воспроизводить себе подобных из различных материалов? На первых порах создается впечатление, что эмоции в силу своей амбивалентности могут помогать нейронным сетям в формировании творческих действий - на пике вдохновения они преобразуются в стихи, музыку, живопись. Однако оборотная сторона медали здесь - плохое настроение, апатия, унылое состояние духа, то есть снижение активной деятельности нейронных сетей, вплоть до патологических проявлений. Зачем совершенным техническим устройствам спады в производственной деятельности? В процессе эволюции эмоции, мотивации, потребности сформировались для отражения отношения личности к внутренним и внешним раздражителям и состояниям. Если организму плохо, то возникает негативная реакция. И живое существо перемещается в иную обстановку, где образуется положительная эмоция. Возникновение отрицательных эмоций вновь повлечет принятие новых когнитивных решений, направленных на устранение причин
неустроенности в жизни. Кстати, эмоциональная деятельность довольно родственна у рептилий, птиц, млекопитающих, обезьян и человека. Эволюци-онно зафиксированный процесс формирования эмоций, которые играют важную защитную и познавательную роль, скорее всего, завершится на уровне роботов будущего. В их обществе будет доминировать рациональность и практицизм. Романтики уйдут в прошлое. Но что полезное получит человеческое сообщество при развитии когнитивных технологий и робототехники? К примеру, будет доведена до совершенства система «мозг-компьютер-интерфейс» - это канал для коммуникаций, который устроен иначе в сравнении с естественными путями передачи сигналов от мозга по отросткам нервных клеток к исполнительным органам (мышцы, кровеносные сосуды, эндокринные железы). Обходные пути через компьютер и специальные программы помогут иначе достигнуть исполнительных органов, например скелетных мышц, и тогда парализованный человек начнет осознанно управлять движениями.
Что такое интеллект?
Это человек в целом, взятый со стороны его способностей. Дж. Бруннер определял интеллект как способность к мышлению, а оно, в свою очередь, выступает как инструмент социализации и культуры в целом. Способности человека проявляются в результате осознанной деятельности, в основе которой лежит функционирование нейронных сетей мозга. Интеллект выражается в самых разнообразных формах, что определяется врожденными и приобретенными особенностями индивидуума. Существующие тесты для определения уровня интеллекта не совершенны. В них присут-
Когнитивные технологии
ствует излишняя доля субъективизма. Целесообразно расширить исследования особенностей памяти, познавательных способностей человека, быстроты формирования ассоциаций между разными фактами. Необходимо углубить представления о процессах хранения информации, параллельных каналах передачи данных в мозге, быстродействии межклеточных коммуникаций при формировании образов, впечатлений, эмоций, мыслей. Нейродеструктивные процессы вносят дополнительный элемент случайности в события, развивающиеся в головном мозге. В этом случае нарушаются привычные потоки информации между афферентными, промежуточными и эфферентными нейронами, вплоть до катастрофического ступора или появления стойкой неконтролируемой активности, напоминающей эпилептическую. Все это отражается на способностях человека к когнитивной деятельности.
Как основные «временные окна» функциональной активности мозга отражают процесс познания? Ученые, работающие в этом направлении, выделяют два основных временных референтных значения - 2-3 мс и 2-3 с [4]. Такие цифры вполне согласуются с нейрофизиологическими данными о времени синаптической задержки в 0,5 мс при передаче сигналов между двумя нейронами. Первый показатель в 2-3 мс свидетельствует о том, что информация передается как минимум между 5-6 нейронами, что позволяет провести обработку сигналов и сформировать решение. Второе референтное значение в 2-3 с отражает многообразие функционирования нейронных сетей с множеством межнейронных коммуникаций. Итогом такого обмена информацией, собственно, и является познавательная
деятельность человека. Однако в этих «временных окнах» отсутствует цифра, отражающая доли миллисекунд реакции индивидуума. Речь идет о мгновенном воспроизведении в памяти одного или множества образов при случайном взгляде фактически «боковым зрением» на знакомого или незнакомого человека. Таким образом, вопрос о пространственно-временных отношениях в мозге еще ждет своего решения, в котором подспорьем явятся представления о квантовых процессах, непредсказуемость и хаотичность которых порождает противоположность - стабильность функционирования структурно сформированных нейронных сетей.
Познает ли человек во время сна, мечтаний, грез? Сон
является активным познавательным процессом. Именно в этот период, когда нивелируется число внешних и внутренних раздражителей, в мозге идет сложнейшая аналитическая деятельность. В процессе межнейронных коммуникаций информация сортируется по значимости и актуальности, модальности, эмоциональности и иным признакам. Аналогичные процессы происходят во время мечтаний, когда накопленная информация сопоставляется с текущими событиями и формируется образ будущего. Мозг человека не злопамятный, однако все сигналы, которые поступали в него на протяжении жизни в разной форме, сохраняются и извлекаются не только осознанно, но и непроизвольно, порой при необычных ситуациях.
Что объединяет нейронные сети в единую систему в мозге, что формирует индивидуальность человека? Структурная основа нейронных сетей мозга - нервные клетки, отростки которых за счет многочисленных
терминалей формируют единую сетевую систему, функционально подготовленную для обмена информацией и принятия решений. Глиальные клетки, расположенные в сети нейронов, выполняют множество трофических, иммунных, защитных, экранирующих и иных функций, которые облегчают работу нейронной сети. Помимо сказанного, эти клетки участвуют в регуляции просвета мелких кровеносных сосудов в мозге [5], что отражается на функциональной активности сообщества нейронных сетей. Посредниками синаптической передачи выступают многочисленные сигнальные молекулы, которые включают уже отмеченные выше нейромедиаторы, нейропептиды, пурины, аминокислоты, газообразные молекулы, гетероциклические соединения, а также ростовые факторы. Нейрохимическое разнообразие и эффективность функционирования нейронных сетей мозга определяют индивидуальность человека.
Естественная эволюция организмов (филогенез) от одноклеточных до формирования личности человека весьма поучительна для понимания сложных механизмов познавательной способности мозга. В процессе трансформации живой природы успешно развивались те одноклеточные или многоклеточные организмы, которые создали эффективные системы внутри-и внеклеточной передачи сигналов. Дублирующие контуры внутриклеточных регуляторных систем необходимы для защиты генетического кода от повреждения. Тысячелетний филогенез живых клеток подтвердил действенность сигнальных систем внутри клетки для сохранения их жизнеспособности и пролиферации. Кстати, благодаря внеклеточной сигнализации одноклеточные организмы получили дополнительные
преимущества в выживании путем организации популяций и сообществ клеток. Возникновение многоклеточных организмов стало возможным за счет совершенствования внеклеточных сигнальных систем, которые достигли полифункционального разнообразия в разных тканях организма, особенно в нервной ткани человека. Многочисленные медиаторы и модуляторы функций в мозге и иных органах организма обеспечивают контроль гомеостазиса и адаптивное приспособление к изменяющимся условиям среды. При передаче сигналов между нейронами формируются условия для принятия оптимального решения с учетом накопленной ранее информации, сопоставления сигналов разной модальности от различных отделов мозга, интенсивности обработки информации, условий ее передачи на внесинаптиче-ском, пре- и постсинаптическом уровнях [6].
Что такое сознание и совесть? Какова их роль в развитии когнитивных технологий?
Разобраться в сознании - сложнейшая из всех задач, стоящих перед наукой. Фрэнсис Крик, решив вопрос об отличии живой материи от неживой и раскрыв природу генетического кода, обратился к другой теме - биологической природе сознания. Благодаря его усилиям научное сообщество сосредоточило внимание на этой проблеме. Однако Ф. Крику с К. Кохом, а также другим ученым удалось лишь немного продвинуться в изучении данного вопроса. Существуют и более радикальные взгляды. «Некоторые ученые и философы, занимающиеся психикой, до сих пор находят сознание непостижимым и склоняются к мнению, что его никогда не удастся объяснить в биологических терминах» [1]. В английском языке слова
«consciousness» и «conscience» (сознание и совесть) имеют общий корень. Действительно, в полубессознательном состоянии человека вопросы о его совести теряют смысл. Скорее всего, сознание и сознательность отражают генеалогию событий в мозге. Подобное сочетание демонстрирует сознательное (осознанное) отношение к внутреннему и внешнему миру человека. В русском языке под совестью понимается не индифферентное отношение к собственным поступкам и намерениям в сравнении с принятыми в общественном сознании (новое понятие!) нормами. Такая особенность, осуществляемая через функционирование нейронных сетей, возможна лишь при эффективной реализации обратных связей мозга. Их конструктивность углубляет сопоставление текущей информации с накопленным ранее опытом, то есть процесс расширяется в пространственном и временном направлениях. Одно из материализуемых следствий данного явления - продолжающаяся технологическая эволюция на нашей планете, включающая и быстроразвивающиеся
когнитивные технологии
See: http://innosfera.by/2015/12/ neural_networks_and_cognitive_technologies
Литература
1. КандельЭ.В поисках памяти:Возникновение новой науки о человеческой психике.- М., 2012.
2. Petersen S.E., Sporns O. Brain Networks and Cognitive Architectures // Neuron. 2015, Vol. 88 (1). P. 207-219.
3. Hartwigsen G., Bergmann T.O., Herz D.M., Angstmann S., Karabanov A., Raffin E., Thielscher A., Siebner H.R. Modeling the effects of noninvasive transcranial brain stimulation at the biophysical, network, and cognitive level // Prog. Brain Res. 2015, 222:261-87.
4. Caputi N., Di Giacomo D., Aloisio F., Passafiume D. Deterioration of semantic associative relationships in mild cognitive impairment and Alzheimer Disease // Appl. Neuropsychol. Adult. 2015, Vol. 27. P. 1-10.
5. Schiller D., Eichenbaum H., Buffalo E.A., Davachi L.,Foster D.J., Leutgeb S., Ranganath C. Memory and Space: Towards an Understanding of the Cognitive Map // J. Neurosci. 2015, Vol. 35 (41). P. 13904-13911.
6. Balasubramanian R. Consciousness, cognition and the cognitive apparatus in the vedänta tradition // Mens Sana Monogr. 2011, Vol. 9 (1). P. 54-78.
®\
Принципы кодирования образной информации
в мозге
г
16
