Активные нейронные модели (А-сети)

Активность

Полная модель нейронных механизмов мозга должна в конечном счете обладать всеми приведенными в предыдущей лекции свойствами. Однако, как уже отмечалось, наиболее принципиальным и самым важным из этих свойств представляется свойство активности. Другие важнейшие необходимые функциональные или рабочие свойства мозга могут оказаться в значительной степени производными от свойства активности. В связи с этим нужно ответить на два вопроса: что такое активность мозга и зачем мозгу активность.

Определим свойство активности любой системы как действия, порождаемые внутренней целью системы и состоящие в преследовании этой цели. Активность живого организма определяется способом организации живой материи, требующим создания и непрерывного поддержания неравновесного состояния. Принцип организации систем с активно поддерживаемым устойчивым неравновесием мы назвали активным динамическим. Следует отметить, что активный динамический способ организации может быть характерен не только для живых организмов, но и для некоторых искусственных систем.

Активный динамический способ организации (существования) требует постоянного направленного взаимодействия со средой. На клеточном уровне живого организма это взаимодействие выражается в процессах метаболизма, то есть обмена веществ через кровеносную систему, на уровне целого организма взаимодействие со средой осуществляется в процессе внешнего поведения, направленного на достижение целевых ситуаций и удовлетворение потребностей.

Для возобновления и сохранения неравновесных структур живых систем необходима постоянная внутренняя работа. Причина и цели этой работы находятся внутри живой системы. Причина и цели внешнего поведения живого организма в нормальной, не экстремальной ситуации также определяются преимущественно внутренними факторами, а именно непрерывной необходимостью поддержания неравновесия и, как следствие, объективными первичными потребностями, а у человека также и в значительной степени субъективными вторичными потребностями.

Из этого следует, что работа, совершаемая живым организмом как на клеточном уровне для поддержания устойчивого неравновесия живых структур, так и на уровне внешнего поведения в среде, вызывается внутренними причинами и, таким образом, соответствует введенному определению активности.

Итак, можно сделать вывод, что активность нужна всему живому функционально, как на поведенческом, так и на клеточном уровне. На этом основаны принципы работы любых живых механизмов. Слова "жизнь" и "активность" хотя и не синонимы, но они относятся к тесно и неразрывно связанным между собой понятиям.

Образующие мозг клетки, как и любые другие клетки организма, активны. Теперь посмотрим, является ли активным "устройством управления" мозг в целом. Мозг решает задачу оптимального управления активным целенаправленным поведением. Эта задача постоянна и непрерывна. Однако задача управления поведением запускается внешними по отношению к мозгу входными сигналами - первичными и вторичными мотивациями. Для решения используется входная информация, поступающая из среды. Выход системы управления, то есть мозга, используется для организации внешних действий в процессе поведения. Таким образом, может показаться, что, решая задачу управления поведением, мозг работает как обычное имеющее вход и выход пассивное устройство управления.

Однако известно, что, в отличие от обычных пассивных систем, мозг не может не работать. Даже если мозг в какой-то момент времени не занят решением задачи управления поведением или какой-нибудь другой задачи, он продолжает постоянно работать. На что направлена эта работа? Можно предположить следующее. Мозг строит активную модель среды, живущую по ее законам. Непрерывно происходит восприятие окружающей среды. Непрерывно происходит обкатка, доводка и коррекция строящейся в мозгу модели среды.

Мы уже говорили о том, что необходимость построения модели среды, а следовательно, и получение информации по своим внешним признакам сходны с потребностями и в определенном приближении могут рассматриваться как первичные потребности живого организма. На таком представлении, подкрепляемом экспериментами на животных, основываются различные информационные модели поведения, например, принцип максимума информации Г.А. Голицына. (Следует отметить, что в информационных моделях часто "перегибают палку" и говорят о получении информации как об основной и даже единственной цели поведения.)

В свете всего сказанного можно полагать, что мозг активен и что в работе мозга прослеживается внутренняя цель - построение и совершенствование модели проблемной среды. И все же с этим можно не соглашаться, считая, что построение и поддерживание модели среды само по себе не имеет для мозга абсолютной ценности, а необходимо лишь для решения внешних поведенческих задач целого организма. Тем более что и информация сама по себе не имеет абсолютной ценности. Ее ценность проявляется лишь в свете решаемых задач и выполняемых функций.

Если то, что делается в мозге, направлено в конечном счете на решение внешних задач целого организма, то активность мозга в свете введенного выше определения активности можно поставить под сомнение. Но в мозге имеется еще одно свойство. Это свойство называется спонтанная активность, то есть активность, не связанная напрямую с необходимостью решения какой-либо внешней задачи.

Мозг так устроен, что активен, т. е. работает всегда, постоянно и непрерывно. Бодрствующий мозг не может не думать. Мозг работает даже во сне. Что заставляет мозг постоянно работать? В чем причина и цель этой активности? Единственное, что можно предположить, - это то, что постоянная активность, как во время бодрствования, так и время сна, нужна мозгу для нормализации состояния отдельных нейронов и всей нейронной сети.

Таким образом, исходной идеей для моделирования активных механизмов мозга может стать представление о мозге как о непрерывно активной системе, построенной из неустойчивых элементов и обладающей внешней поведенческой и внутренней регуляционной активностью. Внешняя активность необходима для решения непрерывной задачи поведения и поддержания устойчивого неравновесия организма в целом. Внутренняя активность мозга - это не только активность метаболизма, но и активность синергического взаимного возбуждения нервных клеток. Эта активность необходима для поддержания оптимального состояния составляющих систему неустойчивых элементов - нейронов. Можно предположить, что с необходимостью поддержания оптимального состояния нейронов, а значит и с активностью, связаны и функциональные свойства мозга, в том числе построение модели проблемной среды, восприятие, управление поведением, решение практических и абстрактных, в том числе творческих, задач.

Гипотеза Емельянова-Ярославского

Впервые представления о том, как может работать активная нейронная сеть, были сформулированы в работах Л.Б. Емельянова-Ярославского [9]. При всей неоднозначности, спорности и зачастую противоречивости содержащихся в этих работах предположений о функционировании нейронных механизмов головного мозга, идея использования неустойчивости нейронов и построения на этой основе модели активной синергичной нейронной сети заслуживает самого серьезного внимания.

Если не вдаваться в необязательные авторские физиологические интерпретации и не пользоваться некоторыми авторскими терминами, например, такими как быстрое старение и быстрое омоложение нейрона и др., то суть гипотезы Емельянова-Ярославского можно в определенном приближении сформулировать следующим образом.

Реализуемый в мозге принцип оптимальности - это максимум питания нервных клеток при ограниченном питании мозга в целом. Для отдельного нейрона этот принцип сводится к максимизации коэффициента полезного действия обмена нейрона со средой (метаболизма). При этом гипотетически предполагается, что изменения функционального состояния несрабатывающего нейрона по этому критерию происходят монотонно во времени и сопровождаются потерей устойчивости - повышением возбудимости. При каждом срабатывании (возбуждении) нейрона происходят противоположные по знаку дискретные изменения - возбудимость снижается (устойчивость увеличивается). Параметр "функциональное состояние" имеет фиксированное оптимальное значение. Оптимальное в среднем состояние нейронов сети, минимизирующее их необходимое общее потребление, достигается только при постоянной активности нейронов и их срабатывании с оптимальной интенсивностью.

Постулат Емельянова-Ярославского о связи оптимального состояния нейронов с максимизацией питания нервных клеток представляется спорным, искусственно притянутым и необязательным. При разработке экспериментальных моделей принцип максимума питания никак не участвовал в работе нейронов и сети в целом. Что касается физиологических интерпретаций, то их можно проводить и по-другому.

На основе постулатов Емельянова-Ярославского строится следующая логическая схема. Модель активной нейронной сети нужно строить, основываясь на гипотезе о том, что в сети есть постоянная внутренняя задача, состоящая в необходимости непрерывного поддержания оптимальных функциональных состояний нейронов и требующая их постоянной активности. Внутренняя задача, во-первых, возникает как следствие отклонения от оптимума функциональных состояний не работающих (не возбуждающихся) нейронов. Решается эта задача при групповом взаимовозбуждении нейронов за счет того, что параметр оптимальности изменяется и может поддерживаться на оптимальном уровне только при возбуждении нейрона.

Во-вторых, внутренняя задача возникает при постановке внешней задачи восприятия или поведения, сводящейся в конечном счете к внешнему возбуждению какой-то группы нейронов сети. Внешняя задача должна нарушать режим общей равномерной оптимизации и приводить к отклонению от оптимума функциональных состояний нейронов. Решение задачи должно приводить к восстановлению режима оптимизации, что должно улучшать функциональное состояние нейронов сети. Таким образом, необходимость решения задачи не задается мозгу извне, а становится его внутренней целью. Направленные на оптимизацию состояния структурные перестройки нейронной сети должны состоять в образовании синергических взаимосодействующих групп нейронов. Эти группы (ансамбли нейронов) становятся основой информационной нейронной модели проблемной среды.

Приведенные общие свойства нейронов и нейронной сети и различные модификации этих свойств послужили основой для разработки, компьютерной реализации и экспериментальной проверки нескольких приблизительно одноплановых вариантов программных моделей. Разными в этих вариантах были выбираемые для моделирования конкретные свойства нейронов и связей между ними, а также исходная структура сети. Принципиальных отличий между этими вариантами нет. Эксперименты начинались еще в 60-х годах прошлого века. Большая часть этих работ была прекращена по разным причинам. Главной причиной была недостаточная мощность существовавших тогда вычислительных средств. Полученные экспериментальные результаты могут претендовать только на иллюстрации некоторых особенностей активных нейронных сетей. Во-первых, была проиллюстрирована возможность формирования в нейронной сети на основе взаимодействия нейронов режима саморегуляции. Во-вторых, иллюстрируется возможность образования памяти внешних воздействий в виде нейронных ансамблей.

Утверждение Емельянова-Ярославского о построении полной логики работы нейронных механизмов мозга не является обоснованным. Не подтверждено это утверждение и экспериментально. Тем не менее представляется, что исходная идея о неустойчивости и активности нейронов должна лежать в основе разработки нейронных моделей мозга.