Наука и жизнь, 2000 № 01 - [35]
В действительности оба подхода дополняют друг друга. Как правило, основные идеи и направления появляются в стане имитаторов, после чего скрупулезные прагматики доводят их до стадии практически полезных разработок.
Не ставя целью дать обзор всех достижений в области моделирования высшей нервной деятельности, остановимся на том понимании вопроса и тех результатах, которые получены научной группой, составляющей Отдел имитационных систем (http://www.ispras.ru/-zhdanov) Института системного программирования РАН (http://www.ispras.ru/).
Разрабатываемую нами имитационную модель нервной системы мы называем системой автономного адаптивного управления (ААУ).
Договоримся о терминах. Обычно при моделировании нервных систем в точных науках пользуются следующими синонимами биологических объектов.
Прежде чем приступать к конструированию модели нервной системы, необходимо наложить ряд ограничений на нашу будущую модель.
Конструктор, разрабатывающий какую-либо систему, всегда ограничен «исходными условиями». Его задача — построить систему так, чтобы она была для них оптимальна. Поэтому при одинаковых исходных условиях два конструктора часто независимо друг от друга приходят к одному и тому же результату. Посмотрите, например, как сегодня похожи друг на друга хорошие автомобили разных марок — даже их форма вынужденно диктуется аэродинамикой.
Природа, создавшая нервные системы, во многом подобна конструктору. Если мы правильно угадаем «исходные условия» и цели, стоявшие перед нею, а потом учтем их в своих разработках, то вынуждены будем получить аналогичный результат.
Примем в качестве «исходных условий» для нашей модели ряд свойств нервной системы, оговорившись сразу, что они носят приближенный характер.
1. Автономность.
Задача нервной системы — управлять организмом. Условие автономности означает то, что нервная система должна самостоятельно, без подсказок извне, находить способ управления. При этом нервная система заключена внутри организма и может взаимодействовать с окружающей средой лишь посредством рецепторов и эффекторов (исполняющих органов).
Заметим, что, даже если у нервной системы есть какие-то внешние «учителя», она все равно воспринимает их своими рецепторами. Что же касается неких «таинственных воздействий», способных проникать в нервную систему, минуя «штатные» входные каналы (рецепторы), здесь мы их учитывать не будем.
2. Дискретность.
Нервная система — устройство во многом дискретное. На ее «входе» находятся рецепторы, которых может быть очень много, иногда несколько миллионов, но важно то, что число их конечно. Состоит нервная система из отдельных (дискретных) объектов — нейронов и нервных волокон, которые обмениваются нервными импульсами — дискретными сигналами. На «выходе» нервной системы можно видеть большое, но тоже конечное число нервных окончаний, через которые исходят импульсы, управляющие работой исполнителей — мышц и желез.
Надо учитывать, конечно, что ряд параметров нейронов описывается непрерывными величинами. Это, например, размеры синапсов, «стыковочных узлов» нейрона и одновременно основных запоминающих устройств нервной системы. Кроме того, не вся информация передается в виде импульсов по нервным волокнам. На нейрон могут оказывать влияние также многочисленные метаболические процессы в организме.
3. Начальная приспособленность.
Нервная система как часть организма изначально приспособлена к условиям существования, в которых жили многие предшествующие поколения. В ходе длительного естественного отбора природа нашла оптимальные для данного организма рецепторы, исполнители, отделы нервной системы, связи между нейронами, выработала для нервной системы оптимальный «алгоритм» ее функционирования. Змея, например, видит в инфракрасном диапазоне, а человек нет. Глаз лягушки хорошо видит лишь движущиеся точки, а человеческий глаз лучше распознает прямые линии. Собака, по-видимому, неспособна воспринять модель атома по Бору, а у человека нельзя сформировать образы из тысяч запахов, которыми оперирует собака.
Здесь важно заметить следующее. Ни в природе, ни в лаборатории нельзя создать распознающую систему, которая могла бы воспринять абсолютно все закономерности-образы входной информации. Она будет выделять образы только того вида, на который заранее настроена. Поэтому в нервной системе должны храниться «заготовки» всевозможных их видов. За них-то и отвечает огромное число нейронов, большая часть которых остаются незадействованными в течение жизни человека. Однако никто не сможет сказать заранее, какие именно нейроны могут понадобиться. Избыток нейронов обеспечивает организму возможность адаптации.
4. Минимум исходных знаний.
После рождения организма, обладающего некоторой начальной приспособленностью и избытком нейронов, его нервная система начинает накапливать знания и информацию. Этот процесс продолжается в течение всей жизни организма (хотя одновременно идет и потеря знаний, например вследствие отмирания части нейронов). Накопление информации происходит в нейронах, при этом изменяется смысл сигнала, представленного нервным импульсом. Например, до и после обучения нервная система может совершенно по-разному реагировать на одинаковые с виду нервные импульсы. Здесь мы имеем дело с информационным процессом приспособления (адаптации), который и будем называть адаптивным управлением. Именно ему живые существа обязаны своей способностью распознавать образы, вырабатывать рефлексы, обучаться, принимать решения.
