Глава 5. НЕЙРОННЫЕ АНСАМБЛИ И ПАМЯТЬ
5.1. ВВЕДЕНИЕ В ФЕНОМЕН "ПАМЯТЬ" КВАЗИБИОЛОГИЧЕСКОГО
АВТОМАТА
Мы видели, что случайный шумовой поток на нейронную сеть или
на нейронную массу существенно снижает потребности в питании. Главной
движущей силой эволюционного процесса, приводящей в нашей
гипотетической схеме к появлению разумного автомата, является
требование минимизации потребностей. Значит, на пути перехода от просто
самоорганизующейся сети к разумному автомату необходимо решить задачу
об источнике шумового возбуждения, построить конструкцию, работающую
как источник шумового возбуждения для нейронной массы, причем
желательно такую, чтобы введение ее являлось существенным шагом на пути
интеллектуализации. Другими словами, создавая конструкцию шумового
генератора, мы должны прийти к конструкции памяти, отвечающей основным
свойствам феномена человеческой памяти.
Ставя задачу о памяти автомата и, значит, о развитии
нейронной сети в автомат, мы имеем фактически три опорных положения:
необходимо решать задачу об оптимальном шумовом потоке; строить
различные конструкции только из нейронов и нейроноподобных элементов; в
качестве начального, задающего источника шумовых воздействий нужно
использовать внешнюю среду, поскольку память — это память о внешнем
мире. Эволюционную схему, или причинно-следственную картину становления
памяти автомата, будем представлять себе так.
1. О рецепторах. Нейронам необходимы функциональные
обновления, в этом их способ существования, и это принято в качестве
одной из первооснов нашего нейрона. Функциональные обновления
обеспечиваются внешними воздействиями на нейрон, образующими
возбуждающий потенциал W+. Для рассматривавшихся обычных
нейронов внешние воздействия образуются как результат разрядов в других
нейронах и наличия связей. Рецепторы — это (в нашем автомате) особые
нейроны, возбуждающие потенциалы у которых образуются при воздействиях
прямо от внешней среды: световых, звуковых, химических, силовых
(тактильных). Возбуждающие воздействия от среды непосредственно полезны
рецепторам: если бы рецепторы жили в свободной среде, то они двигались
к источникам возбуждающих воздействий, вблизи которых их потребности
были меньшими, чем в других областях. (К источникам питания они
двигались бы также, и была бы интересная задача выбора — куда и когда
идти: либо туда, где больше пищи, либо — где потребности в ней меньше.)
В рамках автомата (или будущего автомата) рецепторы первично необходимы
как источник шумового возбуждения для нейронной массы. Поэтому
принимаем, что возбужденный, т.е. генерирующий, рецептор образует
возбуждающее поле, играющее роль шумового потока для нейронной массы.
Одновременно генерирующие рецепторы образуют общее возбуждающее поле.
Если это поле по величине будет равноценно оптимальному шумовому потоку
и будет примерно постоянным во времени, то задача о минимизации
потребления для нейронной массы будет уже решена и стимула для
последующей эволюции автомата не будет. Вводим два "перспективных
минуса" — два ограничения, открывающих эволюционную перспективу
автомата:
а) поле одного генерирующего рецептора невелико, и число
одновременно генерирующих рецепторов также невелико; величина общего
реально возникающего от рецепторов возбуждающего шумового поля много
меньше, чем надо для обеспечения оптимального шумового потока;
б) рецептор не может работать долго; после генерации следует
достаточно продолжительный латентный период; это значит, что
возбуждающие воздействия от внешней среды должны быть разными, должны
быстро обновляться и приходить на разные рецепторы.
2. Ансамбль-фонема. Из первого перспективного минуса
рецепторов следует необходимость иметь усилители шумового возбуждения.
Будем считать, что рецепторы создают не только возбуждающее поле,
влияющее на всю нейронную массу, но для небольшого количества нейронов
создают благодаря синаптическим связям еще и синаптическое возбуждение.
Этого синаптического возбуждения иногда достаточно для того, чтобы
вызвать низкочастотную генерацию. Будем считать, что нейроны,
возбуждаемые по связям непосредственно от рецепторов, — фонемные
нейроны при генерации, так же как и сами рецепторы, создают
возбуждающее поле и являются, таким образом, усилителями своих
рецепторов. Но поле при низкочастотной генерации, так же как и от
рецепторов, весьма слабое. Решающий ход в создании источников
достаточного шумового возбуждения - это объединение фонемных нейронов в
ансамбли, означающее образование усилителей с положительной обратной
связью. Фонемные нейроны - это некоторые нейроны из уже
самоорганизовавшейся нейронной сети, т.е. между ними имеется некоторое
количество слабых возбуждающих связей. Если группа фонемных нейронов
часто оказывается в условиях одновременной низкочастотной генерации за
счет работы какой-то группы рецепторов, то слабые связи, согласно
рассмотренным алгоритмам, превратятся в сильные, а группа этих фонемных
нейронов превратится в нейронный ансамбль, умеющий работать в
высокочастотном режиме. Такие ансамбли мы будем называть фонемами. Для
образования ансамбля необходимо многократное повторение условий
одновременной работы постоянной группы фонемных нейронов, а значит,
одновременной работы постоянной группы рецепторов. Это весьма важно,
так как отсюда следует определенное требование к характеру воздействий
от внешнего мира. Воздействия, вызывающие хаотичную работу рецепторов,
к образованию ансамблей не приведут.
С особенностями ансамблей-фонем связаны два момента, в очень
большой степени определяющие интеллектуальную перспективу автомата: 1)
их относительно мало; 2) при работе они мешают друг другу.
Фонем должно быть мало для того, чтобы обеспечивалась та
логика организации памяти, которую мы имеем в виду, но это "мало"
необходимо сделать физиологически оправданным, нужно увидеть, что оно
логично и в физиологическом плане.
Основной довод здесь такой. Некоторая фонема iФ
образуется при многократно повторяющемся воздействии внешнего стимула iФ^.
Только после того как фонема iФ уже вполне
сформировалась, стимул iФ^ будет обеспечивать
необходимое Шумовое возбуждение, так как будет иметь свой усилитель,
будет уже "знакомым". Незнакомые стимулы в задаче о питании помогают
мало, и на первом этапе жизни, пока фонем еще нет или их мало, автомат
должен получать дотацию. Из того, что на образование фонемы требуется
некоторое время, и из того, что первый этап — этап дотации ограничен,
следует, что число фонем должно быть невелико. Можно для автомата
принять и некоторое усиление к требованию малости числа фонем. Можно
принять, что фонемы легко образуются только на первом этапе жизни, а в
дальнейшем не образуются совсем или образуются очень медленно.
(Известно, что если котенок в первые десять дней после того, как у него
открылись глаза, не видит, например, вертикальных линий, то и выросшая
кошка вертикальных линий видеть уже не будет! — маленький аргументик в
пользу нашей схемы.)
Почему требование малого числа фонем так важно? Да просто
потому, что отсюда однозначно следует языковый принцип организации
памяти автомата. Сложный внешний мир сможет восприниматься автоматом,
только если он будет представлен небольшим числом знакомых стимулов,
которые приобретают смысл элементов алфавита. Задачу преобразования
объектов и ситуаций внешнего мира в группы из стандартных и знакомых
стимулов — "букв" решают входные устройства автомата.
Идея функционирования входных устройств состоит в том, что
возбуждение на ансамбли-фонемы есть результат работы не первичных
рецепторов, а вторичных. Для зрительной системы автомата возбуждение
для фонем идет не от рецепторов ретины глаза, а от рецепторов,
возбуждаемых от движений глаза, от характеристик движения, и прежде
всего от направлений движений. Зрительная система — это автономная
нейронная система, решающая задачу о функциональных обновлениях своих
нейронов за счет возбуждений от засвечиваемых рецепторов ретины глаза в
условиях сложных законов утомления и восстановления рецепторов ретины.
Описание рационального способа эксплуатации изображения объекта в виде
последовательностей определенных просматривающих движений глаза по
объекту и будет описанием объекта, поступающим на вход памяти автомата,
описанием с помощью небольшого числа элементов алфавита.
Вторая особенность фонем, играющая исключительную роль в
возникновении интеллектуальности, - это то, что фонемы при работе
мешают друг другу. Свойство это непосредственно следует из способа
образования фонем: они выделяются из уже самоорганизовавшейся сети и,
значит, между фонемами будет некоторое количество тормозных связей.
Принимаем, что между любой парой фонем, порожденных стимулами какого-то
одного качества (одной модальности), имеется несколько тормозных
связей. Поэтому работать (работа — это высокочастотная генерация
нейронов) может только одна фонема, и, что самое главное, после того
как фонема кончила работать, другие, уже получая внешний стимул, еще не
могут начать работать из-за нейронов-пробок в их составе, из-за
нейронов, на которых накопились тормозные потенциалы. Принимаем, что
оптимальный шумовой поток образуется, когда фонемы работают практически
без пауз. Тормозные потенциалы на пробках этому мешают, и возникает
задача такие потенциалы скомпенсировать.
3. Ансамбль-слово. Память автомата вещественна — это
совокупность ансамблей-слов, которым соответствуют различные объекты и
ситуации внешнего мира и различные сформировавшиеся у автомата понятия.
Ансамбли-слова образуются при работе и благодаря работе
ансамблей-фонем. После образования ансамбль-слово создает
компенсирующее возбуждение W+ на пробках у фонем, его
породивших, т.е. на пробках "своих" фонем, что позволяет фонемам
работать без пауз и создавать нужное шумовое возбуждение.
Ансамбли-слова живут сложной собственной жизнью, вытекающей из свойств
нейронов, в условиях взаимодействия между собой и с внешним миром
(через фонемы), в условиях острой конкуренции по питанию.
