Существующие предпосылки к инженерному пониманию поведения и мышления

Общая оценка результатов работ по ИИ и в смежных областях

Кибернетика и бионика стимулировали проведение междисциплинарных исследований и привлекли внимание представителей точных наук к проблемам нейрофизиологии и психологии. Были сделаны первые попытки моделирования работы мозга. Эти попытки были полезны, хотя чаще всего они ограничивались моделированием гомеостаза, условно-рефлекторного поведения (схема стимул-реакция) и очень упрощенных формальных нейронных сетей.

Много полезного для понимания мышления было получено и в направлении алгоритмического ИИ. Работы по системам представления знаний привели к выводу, что мышление должно основываться на создании семантической модели проблемной среды и что эта модель должна быть иерархически построена как по линии частное-общее, так и по линии часть-целое. Разработки алгоритмов принятия решения для разных "интеллектуальных" задач показали, что эти задачи чаще всего представляются графом состояний или ситуаций и поиск решений основывается на переборе. Предлагались различные, в основном эвристические методы сокращения перебора. Эти методы хорошо работают в одноэкстремальных задачах и значительно хуже - в многоэкстремальных. Попытки разработки алгоритмов для восприятия сложной среды, так же как и алгоритмов для понимания естественного языка, определили необходимость использования семантической модели проблемной среды. Эта модель должна быть не пассивным описанием, а активной системой, управляющей процессом восприятия и делающей его целенаправленным. Правда, последний вывод сделан на основе анализа результатов и напрямую из работ по ИИ не вытекает.

Примыкающие к направлению ИИ формальные нейронные сети можно считать моделями нейронных механизмов мозга, но лишь в очень отдаленном приближении.

Как перечисленные, так и другие полученные в ИИ полезные результаты не объединены в целостную систему и к моделированию мышления прямо не ведут. Более того, сейчас считается плохим тоном говорить о проведении в рамках ИИ работ по моделированию мышления. Априори считается, что такие утверждения с очень большой вероятностью могут быть спекуляцией.

Итак, исследования, проводящиеся в направлении ИИ, подталкивают к выводу, что для понимания и моделирования мышления недостаточно ограничиваться разработкой алгоритмов и программ решения трудно-формализуемых задач. Нужно понять, в чем состоит специфика живого как на уровне восприятия и внешнего поведения, так и на уровне работы нейронных механизмов мозга. Таким образом, необходимо исследование принципов поведения, восприятия и мышления. Это направление работ можно назвать, например, "Искусственный разум" (ИР), чтобы не смешивать его с формальным алгоритмическим направлением "Искусственный интеллект" (ИИ), или еще лучше, как отмечалось в предыдущей лекции, назвать это направление "виталика".

Теперь поговорим о предпосылках к конструктивному пониманию и определению перспектив моделирования поведения и мышления, которые дает биология или физиология.

Что такое жизнь?

Мы уже договорились о том, что будем считать мышление активным процессом в живом мозге. А что такое жизнь? Чем живое отличается от неживого? И что такое активность?

Существуют многочисленные определения понятия жизнь. Приведем классическое определение Ф. Энгельса: "Жизнь есть способ существования белковых тел, и этот способ существования заключается по своему существу в постоянном обновлении их химических составных частей путем питания и выделения". Типичное современное определение: "Жизнь - высшая по сравнению с физической и химической форма существования материи, закономерно возникающая при определенных условиях в процессе ее развития. Живые объекты отличаются от неживых объектов обменом веществ - непременным условием жизни, способностью к размножению, росту, активной регуляции своего состава и функций, к различным формам движения, раздражимостью, приспособляемостью к среде и т. д." (А.А. Малиновский, энциклопедический словарь).

Определение жизни, данное Ф. Энгельсом, значительно лучше, чем определение Малиновского, поскольку в нем делается попытка выделить общий принцип ("способ существования, заключающийся в том..."). Подобные определения сливаются с объяснением. Определение Энгельса, конечно, не является исчерпывающим, а дается на некотором уровне понимания проблемы. Остается много вопросов, и главный - "Зачем живому обновлять свои составные части?".

Определение А. Малиновского, так же как и многие другие современные определения, хуже не только по сути, хотя это, конечно, очень важно, но и потому, что оно по своему характеру является индуктивным, то есть строится в основном на перечислении свойств или признаков определяемого объекта и не дает читателю информации, которая была бы полезна для какого-то обобщения. Индуктивные определения неизбежны на эмпирическом этапе развития любой науки.

Многие определения ставят на первое место функциональную или поведенческую сторону существования живого. Я уже отмечал, что характерными и типичными являются представления о подвижном равновесии между организмом и средой, схема стимул-реакция, "уравновешивание со средой" по И.П. Павлову, принципы гомеостазиса Кеннона и гомео-статического регулирования Эшби и др. Все эти подходы можно назвать "кибернетическими". Они основываются на принципе поддержания устойчивости при внешних воздействиях. Например, типичным является утверждение А.А. Ляпунова, который в своей статье "Кибернетический подход к теоретической биологии" одной из наиболее важных характеристик живого предложил считать наличие повышенной относительной устойчивости за счет сохраняющих реакций на внешние воздействия со стороны среды.

Принцип устойчивого неравновесия Э.С. Бауэра

Теперь остановимся на результатах, полученных Э.С. Бауэром, книга которого "Теоретическая биология" вышла еще в 1935 г. По Бауэру, в основе жизни лежит принцип устойчивого неравновесия: "все и только живые системы никогда не бывают в равновесии и исполняют за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия, требуемого законами физики и химии при существующих внешних условиях".

Этот принцип, по мнению Э.С. Бауэра, является всеобщим законом биологии, определяющим отличие живой материи от мертвой. В соответствии с этим принципом выделение и использование свободной энергии в живой системе сопровождается постоянным разрушением и восстановлением структуры живой ткани, обладающей свободной энергией и находящейся в неравновесном состоянии. Для этого процесса необходимо поступление в систему извне определенных, в первую очередь органических веществ. Таким образом, направленное специфическое взаимодействие со средой в целевых ситуациях поведения необходимо для существования живой материи. Поэтому живая система должна быть открыта и постоянно активна. Поведение - непрерывная задача.

К определению жизни

Я не буду пытаться дать законченное и точное общее определение жизни. Отмечу лишь, что это определение, по-видимому, должно опираться на принцип устойчивого неравновесия и активный динамический способ существования в необходимой для существования среде. Устойчивое неравновесие и, как следствие, активность и целенаправленность являются важнейшими необходимыми, но, может быть, недостаточными признаками живого. Эти принципы, по-видимому, могут быть реализованы и в искусственных системах. То, что действительно необходимо для жизни и не реализуется ни в каких искусственных системах, - это фотосинтез и биосинтез живых органических структур. Для получения полного определения жизни необходимо также привязать устойчивое неравновесие к конкретному биологическому субстрату. Ф. Энгельс считал таким субстратом живой белок. Э.С. Бауэр говорил не о живом белке, а об особом структурном состоянии живой материи. В современной биологии по этому поводу имеются и другие мнения. Кроме того, в определение жизни наряду с устойчивым неравновесием, фотосинтезом и биосинтезом должно входить и такое основное необходимое свойство, как создание модифицированной копии (размножение).

На некотором уровне понимания и объяснения живое можно охарактеризовать еще и следующим образом. В отличие от неживого живое имеет цель - сохранение во времени своей качественной определенности и средства для активного достижения этой цели.

Итак, можно сделать вывод, что непрерывное поддержание неравновесия нужно всему живому функционально и на клеточном, и на поведенческом уровне. Следствие этого - целенаправленность и активность. На этом основаны принципы работы любых живых механизмов. Слова "жизнь" и "активность" - хотя и не синонимы, но относятся к тесно и неразрывно связанным между собой понятиям. Кроме того, представляется, что в определение жизни, во всяком случае в определение ее эволюции, полезно включить также с необходимостью возникающее в живых организмах свойство синергии (взаимосодействия). На этом я еще буду останавливаться в дальнейшем. Кроме того, я постараюсь показать, что активность и синергия являются не только необходимыми свойствами живого организма в целом, но и необходимыми свойствами нейронных механизмов живого мозга.

Большой интерес в плане основной интересующей нас общей темы, т. е. мышления, представляют процессы возникновения и эволюции живых организмов. Мы не будем здесь подробно рассматривать очень сложный в своих деталях и не до конца еще определенный процесс возникновения жизни. Приблизительно описывая самый общий уровень процесса, можно сказать, что зарождение жизни произошло при случайном объединении элементов в органическую неравновесную систему, обладающую свободной энергией, свойством самоподдержания неравновесия за счет специфического взаимодействия со средой и свойством запоминания, размножения и передачи своей копии потомству. Взаимодействие со средой ограничивалось на первом этапе приемом из среды углерода, приемом солнечного света и фотосинтезом неравновесных органических структур. Реализуемый в растениях фотосинтез остается и сейчас необходимым и единственным созидательным фактором существования жизни на Земле. Без фотосинтеза неравновесных, обладающих свободной энергией органических соединений жизнь на Земле существовать не может. Помимо фотосинтеза существует и биосинтез белка. Для биосинтеза нужно поступающее из среды питание, состоящее из мертвых тканей других организмов. Биосинтез белка является необходимой функцией существования животных. Как для фотосинтеза и биосинтеза, так и для воспроизведения при размножении нужна информация о строении организма, т. е. память. Эта память реализуется в молекулах РНК и ДНК.

Таким образом, понятие "живой организм" шире, чем понятие "животное". Живыми организмами являются и растения. Живое - это то, что построено из органических соединений и, по определению Э. Бауэра, "никогда не бывает в равновесии и исполняет за счет своей свободной энергии постоянно работу против равновесия", поддерживая тем самым неравновесие и уровень свободной энергии. В этом плане растение - это такой же живой организм, как и животное. Более того, жизнь на Земле создана и поддерживается растениями. Мы уже говорили о том, что жизнь возникла тогда, когда возникла первая клетка, реализующая фотосинтез обладающих свободной энергией неравновесных органических структур. Фотосинтезирующими были некоторые бактерии и растения. Необходимая для существования среда растений - это солнечный свет, находящийся в воздухе углерод, находящиеся в почве вода и неорганические элементы, в то время как необходимая для существования, то есть для удовлетворения первичных потребностей и поддержания неравновесия, среда животных - это другие живые организмы, в том числе (обязательно) и растения. Таким образом, растения несут в себе созидательное начало - создают жизнь, а животные - как созидательное, так и разрушительное - поддерживают жизнь за счет разрушения жизни. Растения без животных на Земле существовать могут, животные без растений - нет.

Поведение

Вернемся к задаче поведения. По сравнению с поведением животных поведение растений обладает принципиальными особенностями, определяемыми отличием потребностей и среды. Как мы уже отметили, потребности растущих на Земле растений - это свет, воздух, тепло, вода, элементы почвы. Для удовлетворения таких потребностей у растений реализуется простое градиентное одноэкстремальное поведение. Это поведение сводится к захвату из среды необходимых элементов, направленному росту корней, стеблей и листьев, а также к элементарным движениям листьев и цветов (тропизмы растений). Для управления таким поведением мозг не нужен.

Животные могут перемещаться в пространстве. Это значительно расширяет их возможности по достижению необходимых целевых ситуаций взаимодействия со средой. Для перемещающихся организмов фотосинтез становится необязательным. Питание может осуществляться за счет других организмов, в том числе и за счет организмов, реализующих фотосинтез (растений). В то же время задача поведения значительно усложняется. Тропизмы (градиентные механизмы) перестают работать. Нужно управление для оптимизации поведения. Для целенаправленного перемещения в среде требуется дистанционное восприятие, требуется умозрительное моделирование процессов в среде (воображение). Для всего этого нужна модель среды. Кроме того, модель нужна для такого представления среды, на котором стал бы вновь возможен градиентный одноэкстремальный способ управления поведением. Для всего этого и необходим мозг.

Каковы физиологические предпосылки к инженерному, т. е. конструктивному пониманию поведения и мышления? Законченной целостной теории работы мозга при поведении, восприятии или мышлении в целом в науке, называемой физиологией высшей нервной деятельности, нет. Нет законченной целостной теории и в психологии.

Как на физиологическом уровне изучать мышление, непонятно. Изучать можно то, что наблюдается в эксперименте. В физиологическом эксперименте, во-первых, можно наблюдать электрическую активность отдельных нервных клеток и интегральную электрическую активность отделов головного мозга. О таких результатах мы еще будем говорить в дальнейшем. Эти результаты очень интересны, но они не образуют целостную теорию работы головного мозга в процессе мышления и могут только помогать при построении такой теории.

Во-вторых, можно экспериментально изучать поведение и более или менее просто наблюдать рефлексы (преимущественно млекопитающих) и динамические стереотипы (преимущественно насекомых, птиц и рыб). Поэтому с самого начала очень многие работы посвящались изучению безусловных и условных рефлексов. Фундаментальное значение в отечественной физиологии имеют классические труды И.М. Сеченова и И.П. Павлова. Основная работа Сеченова - "Рефлексы головного мозга". Изучение рефлексов много дало для понимания работы мозга, но теорий поведения и мышления на этой основе построить нельзя.

Мы уже говорили о том, что в кибернетике на первых порах значительное внимание уделялось моделированию поведения, ограничивающегося безусловными и условными рефлексами, а также динамическими стереотипами (фиксированными планами). Представления о поведении долгое время базировались на схеме стимул-реакция плюс гомеостаз (поддержание постоянства внутренней среды организма). До сих пор как в технических, так и в физиологических работах иногда вспоминают тезис Павлова "уравновешивание со средой" и рассматривают поведение в рамках схемы стимул-реакция.

Дальше мы остановимся на результатах исследования более сложного поведения. Эти исследования не привели к построению законченной теории работы мозга, однако есть много достаточно интересных результатов, которые можно считать важными предпосылками к построению целостной теории. Как часто говорят физиологи, в мозге строится модель среды для реализации целесообразного и "эффективного приспособительного" поведения. Что такое целесообразное и эффективное приспособительное? Целесообразный и эффективный вариант поведения - это лучший по каким-то критериям вариант среди множества возможных. Каковы эти критерии? Как в физиологии высшей нервной деятельности трактуются целесообразность и эффективность поведения?

В связи с этими вопросами нужно остановиться на результатах некоторых классических отечественных работ в области нейрофизиологии, которые посвящены исследованию и описанию закономерностей, характерных для целенаправленного поведения живого организма в сложной среде, то есть поведения более сложного, чем просто реакции на внешние раздражители.

В общем виде представление о поведении как об активном процессе, опирающемся на опережающее моделирование, содержится еще в классических работах Сеченова и Павлова. Так, Сеченов подчеркивал активную основу процесса восприятия, отмечая, что мы не слышим и видим, а слушаем и смотрим, а разработанная Павловым теория условно-рефлекторной деятельности подразумевает наличие в нервной системе опережающего возбуждения модели того, что должно произойти. На это прямо указывают в опытах с выработанными условными рефлексами у собак эксперименты по исследованию химического состава слюны, который соответствует ожидаемому подкреплению.

Принцип доминанты А.А. Ухтомского

В плане рассматриваемых ниже проблем особый интерес представляют работы А.А. Ухтомского, в которых сформулирован принцип доминанты. В соответствии с этим принципом доминанта поведения и соответствующий ей очаг возбуждения в нервной системе возникают как результат "конкурентной борьбы" многих доминант, отражающих существующие в данный момент первичные и вторичные потребности. "Победившая" главная доминанта фиксируется как стабильный очаг возбуждения. Остальные доминанты затормаживаются. Одновременно получают возбуждение все элементы нервной системы, которые как генетически, так и в соответствии с приобретенной и ситуативной информацией должны (или могут) участвовать в достижении поведенческой цели, соответствующей главной доминанте. При достижении цели доминанта ликвидируется (гасится очаг возбуждения) и возникает новая. В теории Ухтомского не конкретизируется вопрос о том, каковы критерии выбора фиксирующейся доминанты.

Основные аспекты адаптивного поведения в плане построения и использования модели среды показаны в физиологических исследованиях Анохина, Беритова и Бернштейна. Для всех этих работ характерно продвижение от Павловского "уравновешивания со средой" к направленному целесообразному и необходимому взаимодействию со средой, основанному в первую очередь на предвидении результатов взаимодействия.

Теория функциональной системы

П. К. Анохин разработал понятие динамически складывающейся "функциональной системы" как "замкнутого физиологического образования с обратной афферентацией", направленного на достижение конечного приспособительного эффекта. Составляющие функциональной системы - это афферентный синтез, акцептор действия, формирование действия и обратная афферентация о его результатах. (Афферентация - это сигналы, поступающие в нервную систему от органов восприятия среды и рецепторов тела. Эфферентация - это сигналы, идущие из нервной системы к периферии.) Направленность целостного поведенческого акта определяется актуальной физиологической потребностью, формирующей с учетом текущей ситуации в нервной системе модель состояния взаимодействия со средой, при котором потребность удовлетворяется.

Достижение конечного приспособительного эффекта фиксируется получением "санкционирующей афферентации", совпадающей с моделью (акцептор действия). Акцептор действия, т. е. предвидение, возникает при любом действии. При нарушении акцептора действия (нарушении предвидения) поведенческий акт прерывается и возникает ориентировочно-исследовательская реакция, направленная на уточнение восприятия, корректировку предвидения или корректировку модели среды.

Важный момент теории П.К. Анохина состоит в том, что функциональная система и акцептор действия работают всегда и непрерывно. Важно также, что центр внимания смещается от рефлекторного поведения в сторону активного поведения, направленного на достижение целевого состояния взаимодействия со средой. И наконец, важным аспектом теории функциональной системы является сформулированное в ней свойство динамической синергии, т. е. оперативно возникающего взаимосодействия между функциональными подсистемами организма в любом поведенческом акте. Все это было сформулировано еще в 60-е годы прошлого века.

Близкие по смыслу идеи содержатся в работах Н.А. Бернштейна, который выделяет две линии изучения поведенческого акта - физиологию регуляций и физиологию активности. Регуляция основывается на "вероятностном прогнозировании по воспринимаемой текущей ситуации". Кроме того, организм "не просто взаимодействует с окружающим миром, но и активно воздействует на этот мир, стремясь изменить его в потребном себе отношении". Активность поведения направлена на достижение "закодированного в нервной системе отображения или своего рода модели потребного будущего". Выработка программы действия состоит в установлении связи "между наличной ситуацией и тем, во что она должна быть превращена".

Вопросы, связанные с построением в нервной системе модели среды и использованием этой модели в процессе поведения, нашли отражение в работах И.С. Беритова и многих других авторов. К сожалению, в большинстве этих работ, в том числе в теории А.А. Ухтомского о принципе доминанты, в теории функциональной системы П.К. Анохина и в теории поведения Н.А. Бернштейна, нет четких и строгих представлений о том, какая потребность становится актуальной, как выбирается целевое состояние взаимодействия со средой и вариант достижения цели, что такое полезность и "приспособительный эффект". Поэтому обо всех таких теориях нельзя говорить как о теориях поведения. В частности, функциональная система Анохина - это не теория поведения, а лишь теория отдельного поведенческого акта, поскольку в этой теории на центральном месте находится нераскрываемый "черный ящик" - "блок афферентного синтеза".

Эксперименты Н.В. Асмаяна и Г.А. Голицына

Определенное исключение представляет собой работа Н.В. Асмаяна и Г.А. Голицына, посвященная экспериментальному исследованию принципов принятия поведенческого решения животным в ситуации выбора. На основании экспериментальных результатов авторы смогли установить количественное локальное правило принятия решения и пришли к естественному выводу о том, что поведение животных подчиняется некоторому принципу оптимальности. Однако убедительного объяснения "приспособительного" смысла этого принципа в работе Н.В. Асмаяна и Г.А. Голицына получено не было. Мы еще поговорим об этих очень интересных результатах в следующей лекции.

Роль эмоций

Многие авторы, например, П.К. Анохин, Г.А. Голицын, П.В. Симонов и др., выделяют важную роль эмоций в поведенческом акте. Так, Анохин пишет, что эмоции играют роль "пеленга", определяя направленность поведения. Голицын говорит об эмоциональном механизме сравнения и выбора вариантов поведения. (Это очень важно и не вполне очевидно, ведь еще великий Дарвин писал, что эмоции - это просто атавистические свойства, имея, по-видимому, в виду лишь мощные эмоциональные состояния, такие как горе, радость, страх и т. п.)

Общая оценка результатов по изучению поведения

Результатов, относящихся к исследованию поведения, много, и они весьма разнообразны. Мне представляется, что, обобщая эти результаты, можно выделить следующие наиболее важные моменты:

Дает ли это ответ на поставленные выше вопросы об алгоритмах (правилах) выбора целей и механизмах поведения? Нет, не дает. Перечисленные моменты целенаправленного поведения проливают свет преимущественно на общую структуру поведенческого акта, причем не на все его важные аспекты. Как правило, несколько в стороне остаются вопросы о том, как выбираются целевые ситуации, что такое в количественном смысле "наилучший приспособительный эффект", от чего зависит и как влияет на выбор и закрепление плана поведения "величина положительного подкрепления", как измеряется эта величина и как она связана, с одной стороны, с целевой ситуацией и, с другой стороны, с пройденным путем к цели.

В сложных случаях, к которым можно отнести большинство реальных ситуаций, однозначная фиксация конкретного наилучшего плана поведения невозможна ввиду разнообразия и неповторяемости в точности среды. Удачная программа поведения может быть зафиксирована и воспроизведена только в обобщенном виде. При этом остается вопрос: по какому количественному критерию и как происходит в случае сложного поведения не только умозрительный выбор цели, но и выбор пути к ней? Вернее, оцениваемые и сравниваемые варианты целенаправленного поведения должны включать совокупную оценку пути и цели. И главный вопрос - что при этом оценивается? Выбор варианта поведения основывается на эмоциональных оценках и их сравнении. А что такое эмоция и как она связана с "полезностью" или "приспособительным эффектом"?

Забегая вперед, можно сказать, что более или менее точный (хотя и гипотетический) ответ на большую часть таких вопросов возможен, по-видимому, с учетом рассматриваемого ниже принципа maxT и предположений о сути базовой задачи мозга, то есть задачи построения иерархической модели среды, сводящей реальные многоэкстремальные многопереборные задачи поведения к умозрительным одноэкстремальным малопереборным. Об этом я буду говорить в следующей лекции.

В предыдущих лекциях мы рассматривали очень общее определение мышления, требующее конкретизации таких понятий, как живое, активность, модель среды, управление поведением в многоэкстремальной среде, восприятие, обучение, активные нейронные механизмы. В этой лекции мы сформулировали определение и в некотором приближении конкретизировали понятие "жизнь". Конкретизацию других входящих в определение мышления понятий мы попробуем продолжить, рассматривая задачи управления поведением и восприятия среды.