Моделирование мозга
Моделирование мозга
В предыдущей главе было описано несложное устройство, память которого фиксирует происходящее с учетом изменения эмоционального состояния. Эта же память формирует поведение такого автомата. На таком простом примере удобно проследить основную идею того, как наличие эмоций формирует память, а та диктует определенное поведение в неких ситуациях, то есть, иначе говоря, то, как формируются инстинкты. На простой модели также хорошо видно, как появление новых или изменение существующих связей нейронов, замкнутых на эмоции, приводит к появлению новых инстинктов. Я думаю, не так сложно самостоятельно, на примере устройства из предыдущей главы, разобраться также с тем, как работает механизм мутаций и естественного отбора.
Теперь усложним задачу. Попробуем дать описание автомата, которому присущи основные свойства и способности, свойственные настоящему человеческому мозгу.
Вообще, в теории автоматов «мозг», который управляет действиями агента, представляется следующим образом.
Рисунок 14. Схематическое изображение мозга в теории автоматов.
Это автомат S (Se, Si, Ss, Sa, F). Здесь Se — множество элементов автомата, состояния которых определяются внешней по отношению к агенту средой; Si — элементы, определяющиеся внутренней средой агента; Ss — внутренние элементы автомата; Sa — элементы, определяющие действия агента; F — функция, при помощи которой вычисляются состояния элементов автомата. В каждый момент времени автомат описывается вектором состояний всех его элементов Sk.
Рассмотрим «мозг», изображенный на рис.15.
Рисунок 15. Общая схема работы мозга.
Здесь не изображены отдельные нейроны и их связи. Блоки соответствуют сложным нейронным сетям, стрелками обозначены их взаимодействия. Напомню, что мы рассматриваем не реальный мозг, а «мозг» автомата, построенный на формальных нейронах, способный проиллюстрировать механизмы работы, присущие настоящему мозгу. В предыдущей главе мы описали несколько типов формальных нейронов, и сейчас также будем иметь в виду, что нейронные сети нашего автомата состоят из различных по своим свойствам нейронов.
У человека всегда присутствует тяга к простому, универсальному объяснению, тяга к созданию универсальной модели. Конечно, применительно к моделированию мозга так же естественно первое желание — обойтись универсальным, простым по своей реализации формальным нейроном. Однако реализация такого подхода быстро приводит к пониманию, что простота нейрона приводит к громоздкости и «некрасивости» итоговых решений. Использование различных по своим функциям нейронов при моделировании мозга вполне естественно. Кстати, это уже оправдано и эволюцией. Так, человеческий мозг содержит несколько десятков различных типов нейронов.
Многообразие нейронов имеет много аналогий в развитии инженерной мысли. Например, появление транзистора как нового типа электронных устройств не привело к созданию некоего универсального полупроводникового элемента, а наоборот, были созданы сотни специализированных транзисторов, различающихся не только по параметрам, но и по принципам работы.
Итак.
1. Вход (внешний). Внешняя среда формирует состояние нейронов входа, у человека за это отвечают органы чувств. Первичная сенсорная информация преобразуется специализированными нейронными сетями к виду, с которым «легче» оперировать. Структура таких сетей генетически предопределена и есть результат естественного отбора.
Что такое «вид информации, которым легче оперировать», хорошо проследить на примере слуха.
Рисунок 16. Анатомия уха человека.
Все мы знаем, что звук — это колебания воздуха. Колебания проще всего воспринять в виде значений уровня производимого ими давления в конкретный момент времени. Однако далее оперировать с таким потоком данных крайне неудобно. Гораздо проще что-либо делать, если применить преобразование Фурье и представить информацию о звуке в виде знания о том, какая амплитуда соответствует той или иной частоте звучания. При таком представлении легче выделять «существенную» информацию и проще ее классифицировать.
По такому же пути пошла и эволюция. Звуковые колебания, доходя до слуховой улитки, вызывают колебания находящейся там жидкости. Структура улитки такова, что при различных частотах начального сигнала максимальная амплитуда изменения давления жидкости в ней будет регистрироваться на определенном расстоянии от ее основания. Низкие звуки вызывают прогибание мембраны у верхушки улитки, а звуки высокой частоты — в области основного завитка улитки. Внутренняя поверхность улитки покрыта ресничковыми клетками-рецепторами, которые напрямую соединены со слуховым нервом и воспринимают информацию о давлении жидкости в определенной точке улитки.
Человек имеет в своем распоряжении огромное количество нейронных сетей, которые выполняют предварительную обработку поступающей информации. Эти «природные фильтры» — результат длительной эволюции. Способностью тонко распознавать изображения, звуки, вкус, запахи мы обязаны тому, что информация проходит мощнейшую предварительную подготовку, и далее мозг оперирует «удобными данными».
Состояние входа определяет исходную информацию, на основании которой нейроны памяти распознают ранее встречавшиеся сочетания (3), и ведет к срабатыванию рефлексов (10).
2. Рефлексы. Рефлексы генетически предопределены и определяют активацию ощущений (11), эмоций (12) или выхода (13) как ответ на внешнюю или внутреннюю информацию.
3. Вход (внутренний). Внутреннее состояние автомата (человеческого организма) формирует состояние нейронов входа (внутреннего). Пустой желудок через рефлексы вызывает чувство голода, необходимости отправления естественных потребностей, соответствующие ощущения и так далее.
Кроме того, внутри организма формируются условия для импринтинга. Некоторые рефлексы начинают работать только при наступлении определенных условий. Так импринтинг образов, связанных с половой сферой, начинается только в период полового созревания.
Еще раз напомню, что сложные образы в наследственной памяти не отпечатаны. Мы изначально не знаем, как выглядит женщина, а как мужчина, и тем более не знаем, что именно к тем, кто выглядит соответствующим образом, мы должны испытывать влечение.
Формирование понятий «мужчина» и «женщина» происходит в процессе обучения ребенка и изначально не связано с эмоциями половой сферы, поскольку сами эмоции появляются только ко времени полового созревания. Однако эти понятия формируются с учетом социокультурных особенностей (то есть что прилично, а что неприлично, что принято подчеркивать, а что должно быть скрыто). В этот период у ребенка формируется поведенческий комплекс, основанный на эмоциях, регулирующих социальное поведение, на любопытстве и тому подобном, но не включающий в себя эмоции, относящиеся к половой сфере.
С началом полового созревания запускается механизм импринтинга. У мужчин появляются соответствующие эмоции при виде женщин, и наоборот. Но изначально эти эмоции запускаются не «видом женщины» или «видом мужчины», а благодаря химическим меткам, которые позволяют идентифицировать женщин и мужчин. На роль таких меток очень подходят феромоны — летучие вещества, которые нами не ощущаются, но вызывают определенные реакции нашего организма. В результате очень быстро происходит ассоциирование понятий «мужчина» и «женщина» с соответствующими эмоциями. Процесс этот совершенно аналогичен выработке условного рефлекса. Результатом импринтинга становится то, что эмоции половой сферы возникают при активации понятий: «женщина» — у мужчин и «мужчина» — у женщин. И феромоны уже не играют решающей роли. Можно предположить, что отклонения в сексуальной ориентации определяются сбоями, возникшими именно в ходе процесса импринтинга. Такие сбои могут быть вызваны внутренними нарушениями, а могут быть спровоцированы «обманчивой» внешней средой.
4. Ощущения. Эмоции. Различные сочетания активности элементов входов приводят к срабатыванию рефлексов и, соответственно, к появлению ощущений (11) и эмоций (12). Все доступные нам ощущения и эмоции имеют окраску
«хорошо/плохо». В отличие от упрощенной модели, описанной в предыдущей главе, реальные ощущения и эмоции имеют значение «силы» переживания, которое может варьироваться в достаточно широком диапазоне. Сумма всех ощущений и эмоций дает результирующее значение эмоционального состояния. Решающую роль играет величина изменения этого эмоционального состояния. То есть основная полезная информация содержится не в знании о том, что нам сейчас хорошо или же плохо, а в фиксации моментов, когда общее эмоциональное состояние меняется. Степень и характер изменения эмоционального состояния фиксируется памятью (9). Память «отпечатывает» в себе «текущую ситуацию» и информацию о том, стало ли нам «лучше» в этот момент или же «хуже», и насколько. Впоследствии память, «узнав» картину, соответствующую ранее запомненной, пытается «восстановить» те действия, эмоции и ощущения, которые были на момент запоминания, если ему соответствовало положительное изменение эмоционального фона, и наоборот — не допустить действий, повлекших отрицательное изменение. Механизм этого явления описан в предыдущей главе. Таким способом формируются условные рефлексы.
Утверждать, что сила изменения эмоционального состояния фиксируется памятью, можно на основе простых наблюдений. Ассоциация между явлениями обязательно возникает, если проходит достаточное количество обучающих событий. Но если обучение не сопровождается сильными изменениями эмоционального состояния, то необходимо несколько десятков повторов (30—40 в случае формирования устойчивого условного рефлекса у собак Павлова). Вообще все происходящее в той или иной степени имеет эмоциональную окраску и ведет к изменению суммарного эмоционального фона. Соответственно, вклад таких воспоминаний в формирование общей картины активации невысок, но присутствует всегда. Сильное переживание сразу приводит к образованию мощной ассоциативной связи. После первого сильного удара током человек навсегда обретает осторожность в обращении с электроприборами, вкусное блюдо сразу запоминается на всю жизнь и т. д. Яркие воспоминания, то есть те, которые вызываются «легче», всегда связаны с сильными изменениями общего эмоционального состояния.
Так, хороший фильм, который во время просмотра заставлял нас переживать, сразу и навсегда врежется в память, а скучная лекция в институте сольется с чередой других. Но повторение тоже может сделать свое дело. Реклама, пусть минимально, но все же «зацепившая» нас хоть чем-то (смешной фразой, ярким образом или некоей провокационностью), будучи повторенной сотню раз, даст мощнейшую ассоциативную связь.
Достаточно очевидное следствие из этого связано с методами преподавания. Понятное изложение материала еще не гарантирует формирования сильного воспоминания, которым можно будет оперировать впоследствии. Способность ученика увидеть «изящность» математического доказательства, «красоту» физических законов и тому подобные сигналы к появлению эмоций сильно упрощают образование устойчивых ассоциаций. Альтернативный метод — «зазубривание» — значительно более трудоемок, хотя тоже действенен. Однако «зазубривание» всего материала требует слишком длительного времени.
Таким образом, составление образовательных программ и подготовка новых учебников не должны сводиться только к системному изложению материала. Всегда надо думать над тем, какие эмоции поспособствуют процессу обучения. Помните, у М. Веллера: «Он за этот год в совершенстве таки овладел французским! То есть ни малейшего, разумеется, представления о теории, но прекрасный парижский выговор, абсолютная правильность речи и достаточно богатый словарный запас. Еще бы — естественно: такая школа. Наилучший способ обучения иностранным языкам. Постель, она стимулирует, и ассоциации положительные. Эту методику еще Байрон пропагандировал, а уж он был полиглот известный...» (Веллер, 2008).
Память, «восстанавливая» картину воспоминания, способна вызвать появление ощущений (5) и эмоций (7). Значение этого очень важного феномена я опишу чуть позже.
5. Выход. Результатом деятельности мозга становятся совершаемые нами поступки. Побуждение к любым действиям возникает благодаря рефлексам (13) и суммарной активности памяти (8). Механизм — аналогичен описанному в главе «Эмоциональный компьютер».
6. Память. Это многоуровневая структура, в которой постоянно протекают следующие процессы:
- Распознавание. Распознавание (1) происходит под воздействием «картины мира», складывающейся из активности входа (3), ощущений (4) и эмоций (6). В ходе этого постоянного процесса активируются структуры памяти, которые запомнили в свое время явления, «похожие» на происходящее «сейчас». Из элементарных признаков, распознанных на нижних слоях памяти, складывается картина, по которой распознаются интегральные явления. Чем выше слой памяти, тем более комплексные «воспоминания» соответствуют активации соответствующих структур.
- Ассоциативное возбуждение. Распознанные понятия внутреннего языка («воспоминания») дают импульсы активации ассоциативно связанным с ними понятиям. Вероятность активации связанного понятия определяется силой активирующих импульсов и их количеством. Сила активации отражает то, насколько сильным было изменение эмоционального фона на момент запоминания, а количество активирующих связей определяется количеством активных на данный момент ассоциаций.
- Формирование образов «воспоминаний». Вызванная ассоциациями «картина» активирует понятия, лежащие в ее основе (2). В итоге формируется активность со стороны памяти, воздействующая на ощущения (5), эмоции (7) и выход (8). Активация выхода приводит в конечном итоге к совершению действий. Активация эмоций и ощущений приводит к формированию «фантазии». Именно комплекс различных эмоций и всевозможных ощущений воспринимается нами как поток осознания, как мысль. Важно отметить, что у сформировавшегося мозга эмоции и ощущения формируются не только и не столько рефлексами, сколько памятью, отпечатавшей накопленный жизненный опыт.
- Запоминание. Память постоянно фиксирует «картину мира» учитывая при этом силу изменения эмоционального состояния (9). Именно величина этого изменения важна для того, чтобы впоследствии память смогла сформировать активность, ведущую к «мыслям» и поступкам, направленным на «пользу» нам, то есть ведущим в итоге к максимальному положительному эмоциональному эффекту, возможному в данной ситуации.
Интересно отметить, что стремление к максимизации положительных эмоций и минимизации отрицательных есть свойство, предопределенное самой организацией описанной системы.
Зачастую мы не отдаем себе отчета в том, чем вызвано наше поведение, наши поступки, где их причины, а где следствия, где безусловные рефлексы, а где работа памяти. Попробуем разобраться в этом на простом примере.
Предположим, вы дотронулись рукой до раскаленной докрасна электроплиты. Вам больно, вы отдергиваете руку. Вот вроде и все.
Но рассмотрим теперь этот процесс поэтапно:
— Импульсы от периферических болевых рецепторов вызывают безусловный рефлекс — отдергивание руки.
— Эти же импульсы вызывают другой рефлекс — ощущение боли.
— Мы видим красную плиту, этот образ распознается нами. Мы испытываем сильное ухудшение эмоционального состояния, вызванное резкой болью. Формируется воспоминание относительно красной плиты и прикосновения к ней с сильной отрицательной окраской.
— Рефлекторное отдергивание руки приводит к тому, что резкая боль проходит, и, даже если остается более слабая боль от ожога, это соответствует сильному положительному изменению эмоционального состояния. Формируется воспоминание, увязывающее красную плиту, руку, прикоснувшуюся к плите, и тот факт, что отдергивание было сильно положительно «окрашено» («положительно» здесь не надо путать с «приятно», положительным является и переход из состояния «очень плохо» в состояние «менее плохо»).
В итоге:
— Мы уже больше не прикоснемся к красной плите.
— Случайно прикоснувшись к чему-то, похожему на красную плиту, мы отдернем руку, даже если там нет ничего горячего или опасного.
Такой механизм следует из всего, описанного в этой главе. Хочется еще раз обратить внимание на то, как быстро и прочно формируются условные рефлексы при сильных изменениях эмоционального фона, а также на то, что внешне простое явление в действительности состоит из нескольких процессов.
Обратите внимание на четыре важных факта.
1. Человек отдергивает руку не потому, что больно, а потому, что срабатывает соответствующий рефлекс. Одновременно с этим, благодаря другому рефлексу, появляется боль, которая необходима для формирования нового условного рефлекса. Эмоции и ощущения «констатируют» результат события, но не управляют нашим поведением. Управляет поведением память, сформированная с учетом изменения эмоций и ощущений.
2. Для того чтобы обучиться, надо: обжечься, уколоться, упасть, удариться и т. п. или испытать «наведенное» ощущение (увидеть как испугались другие и рефлекторно испугаться самому). Самое быстрое обучение — это то, которое сопровождается сильными эмоциями или ощущениями. Ребенок может бесконечно долго пытаться залезть на опасную высоту, и никакие попытки родителей его остановить не возымеют эффекта, пока он откуда- нибудь серьезно не упадет. Одного раза будет достаточно, чтобы ребенок «мгновенно поумнел». Задача воспитания позволить так «упасть», чтобы дать возможность научиться, но не позволить разбиться при этом.
К слову, вспомним интересный пример обучения. Все знают фразу — «мальчик для битья», что она значит?
В повести «Принц и нищий» американского писателя Марка Твена рассказывается о том, что в давние времена при юном наследнике английского престола состоял «паж для побоев», который должен был сносить все телесные наказания, которые полагались за плохую учебу принцу, будущему королю Англии,— нельзя же было поднимать руку на «священную персону принца Уэльского». Поскольку наследник дружил с пажом, то его побои воспринимались им так же «больно», как свои собственные.
3. Многие рефлексы необходимы не сами по себе, а как основа для формирования условных рефлексов. Необходимо пробовать, чтобы узнать результат. Для того чтобы приобрести опыт, положительный или отрицательный, надо совершить какое-либо действие в ответ на вызов внешней среды. Пока явление, на которое надо отреагировать, нам неизвестно и нет связанных с ним безусловных рефлексов, на помощь могут прийти любые «случайные действия», которые, возможно, позволят «нащупать» положительный результат. Естественно, что сами «случайные действия» будут следствием определенных рефлексов.
Ребенка мучает любопытство, очень скоро выясняется, что любопытство проходит, если потрогать предмет, его вызывающий. Ребенок трогает все подряд, приобретая новый опыт. Рано или поздно он потрогает и опасные предметы (горячие, острые и т. п.), такой опыт жизненно необходим. Но, и повзрослев, в душе мы остаемся теми же маленькими детьми — недаром во всех музеях мира висят таблички: «экспонаты руками не трогать».
4. На приведенном примере очень удобно «разглядеть» отсутствие связи действий и эмоций, еще раз убедиться, что эмоции и ощущения не являются стимулом для поступков. Представьте себе, что вы положили руку на нечто красное, похожее на плиту, но не опасное и не заметили этого. И вот вы переводите взгляд и видите «опасную картину». Срабатывает условный рефлекс — вы отдергиваете руку. Это действие диктуется исключительно памятью, нет никаких ощущений, которые бы подтолкнули к нему.