Эволюция нейронных сетей

Эволюция нейронных сетей

 Ранее мы говорили об искусственных нейронных сетях, предназначенных для решения какой-либо специализированной задачи. В основном это задачи классификации (распознавания образов). При этом рассматривались алгоритмы, которые позволяли «обучить» нейронную сеть, состоящую из относительно небольшого числа нейронов (например нескольких сотен). Каждый из алгоритмов не гарантировал оптимального результата и содержал определенный элемент «шаманства». Обученная нейронная сеть представляла при этом «вещь в себе», и в этом случае крайне трудно анализировать смысл весов того или иного нейрона и значение его связей. «Смысл» появлялся только у всей сети целиком — как у инструмента, созданного для решения определенной задачи. Природа строила нейронные сети без «понимания» их конечной цели. Просто в результате мутаций появлялись нейроны с новыми свойствами, увеличивалось их количество, возникали новые связи. Иногда это случайно приводило к появлению новых полезных качеств организма.

 Попробуем схематично проследить эволюцию нейронных сетей.

 У одноклеточных говорить о нервных клетках не приходится, однако у некоторых из них (как, например, у эвглены) появляются уже органоиды для восприятия раздражений из внешней среды (стигма, или глазок, у эвглены, хламидомонады и др.). Низкоорганизованные многоклеточные животные — губки — тоже не имеют нервной системы.

 Впервые в эволюции специализированные нервные клетки появляются у гидры и других кишечнополостных. Нервные клетки кишечнополостных не отделены друг от друга синапсами и не объединены в нервную систему, а либо представляют собой отдельные разветвленные клетки, либо образуют нервную сеть, состоящую из клеток, соединенных между собой ветвистыми отростками. Импульс, возникший в одной части тела, может распространяться по всем направлениям во все остальные части организма. Нервные клетки гидры не дифференцированы на различные виды, а просто одни ветви нервной сети направляются к рецепторным клеткам, а другие — к сократимым. Однако уже у медуз и актиний отмечается тенденция к группировке нейронов в нервные цепочки. У них нейроны, как правило, соединены синапсами, наблюдается дифференцирование нервных клеток на сенсорные, соединительные и двигательные нейроны. В ходе дальнейшей эволюции нейроны, синапсы и нервно- мышечные соединения изменились мало.

 У различных беспозвоночных нейроны и синапсы устроены в основном так же, как и у человека. Эволюционное развитие нервной системы выражалось в увеличении числа нервных клеток (нейронов), в дифференциации формы нейронов и их функциональной специализации, в усложнении межнейронных связей, в группировке нейронов с образованием узлов и, наконец, в централизации нервной ткани. Среди беспозвоночных наиболее развита нервная система у членистоногих (насекомых, пауков, крабов, омаров) и у головоногих моллюсков. У кальмаров и осьминогов наблюдается цефализация, то есть развитие головной капсулы, в которой сконцентрированы нейроны, управляющие поведением организма. У этих животных кроме головного мозга развивается нервный тяж, аналогичный спинному мозгу позвоночных. У кольчатых червей и у примитивных представителей членистоногих имеется по паре ганглиев в каждом сегменте тела, а у более высокоорганизованных ганглии сливаются в общий ганглий. Особенно высокого развития у членистоногих достигают органы чувств — сложные глаза, органы химического чувства, механорецепторы, органы слуха и др. Головной мозг и ганглии включают огромное число вставочных нейронов, выполняющих интегративные функции. Существует даже подсистема, аналогичная вегетативной нервной системе позвоночных, иннервирующая (связывающая с центральной нервной системой) сердце, пищеварительный тракт и главные эндокринные органы.

 В связи с выходом на сушу и увеличением многообразия форм поведения у позвоночных животных продолжалось и усложнение нервной подсистемы. У позвоночных нервный тяж расположен на спинной стороне тела и имеет центральную полость, тогда как у беспозвоночных нервная цепочка расположена на брюшной стороне, под пищеварительным трактом, и не имеет полости внутри. У рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих нервная трубка заключена в позвоночный столб, а из переднего отдела нервной трубки образуются отделы головного мозга, заключенные в черепную коробку. Начиная с амфибий, формируется кора головного мозга, наибольшего развития достигая у млекопитающих, особенно у человека. Основной план развития и строения нервной системы у всех позвоночных сходен, различия же касаются, главным образом, развития отдельных частей головного мозга и размеров последнего по отношению к размерам спинного мозга, формирования тесной связи между гипоталамусом и гипофизом (Томинский, 2002).

 Видно, что в ходе эволюции у живых организмов возникало и усложнялось большое количество специализированных нейронных сетей, похожих на те, о которых мы говорили в начале главы. При этом каждая из таких сетей (количество нейронов и структура их связей) эволюционировала по генетическому алгоритму и передавалась, будучи закодирована в хромосомном наборе, из поколения в поколение.

 В таких сетях количество нейронов, их тип, структура их связей жестко определены и представляют собой совершенное творение природы, отточенное естественным отбором.

 Например, могильный червь Caenorhabditis elegans — излюбленный объект исследований нейробиологов — имеет очень нехитро устроенную нервную систему. У этого червя всего 302 нейрона, и связи между ними прекрасно изучены (Brenner, 1974).

 Такие специализированные нейронные сети управляют в организме человека всеми физиологическими процессами, обслуживают все базовые функции, связанные с органами чувств, срабатыванием рефлексов, проявлением эмоций. Эти сети можно рассматривать как носители наследственной памяти, которая включает в себя опыт и умение наших предков жить в этом мире.

 Однако мир изменчив, и, конечно, преимущество получают те организмы, которые умеют приспосабливаться к изменениям среды, адаптироваться к ним. Существует два основных способа адаптации:

1. При огромной численности популяции всегда присутствуют «уроды» с новыми, вызванными мутациями свойствами. При резком изменении среды может получиться, что именно эти свойства окажутся полезными для выживания. Вымрет большинство, а «уроды» дадут жизнь новым поколениям. Так возникают новые штаммы, устойчивые к старым антибиотикам, так селекционеры выводят новые сорта растений.

2. У сложных существ возникли механизмы, позволяющие им изменяться под действием внешней среды. Изменяться — означает менять свое поведение, менять инстинкты и приобретать новые рефлексы, приспосабливаясь к жизни в новых условиях. Именно этому способу выживания будет далее посвящена большая часть книги.