WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |

Введение

НЕЙРОКИБЕРНЕТИКА, НЕЙРОИНФОРМАТИКА, НЕЙРОКОМПЬЮТЕРЫ

В.Л. Дунин-Барковский

НИИ нейрокибернетики им. А.Б. Когана1

Ростовского Госуниверситета, Ростов-на-Дону

I. Темп прогресса в науке

В настоящее время все окружающее изменяется необычайно быстро. Разумеется, так было всегда. Единственное различие между прошлым и настоящим состоит в изменении субъекта быстрых изменений. Сами же изменения и быстрый, порой мгновенный рост подчиняются широко известному закону экспоненциального роста в ограниченном объеме. Я напомню читателям в двух словах, в чем состоит этот закон. Он прекрасно иллюстрируется задачей о банке с микробами.

Итак: отдельные особи микробов вида M делятся каждую секунду (одна на две) и находятся в стеклянной (трехлитровой) банке. По условию задачи, если в начальный момент времени в банке находится один микроб, то ровно через одни сутки банка наполнится до краев.

Вопрос задачи: "За какое время банка наполнится наполовину" Ответ - за одни сутки без одной секунды.

Не укладывается в воображении то, что за одни сутки без 20 секунд банка заполнена лишь на одну миллионную часть. Решение этой задачи можно проиллюстрировать графиком ‑ переход с 0 на 1 происходит в течение 10 секунд, т.е. практически за одну десятитысячную часть суток и на графике выглядит как резкая ступенька.

Знания о механизмах мозга представляют типичный пример экспоненциального роста в ограниченном объеме. Специалисты уже сейчас могут констатировать: нам известно уже очень много: 1/10, 1/1000 или 1/1000000 часть всех механизмов мозга. Время удвоения знаний - год (или 5 лет, что в общем-то не очень существенно). В любом случае мы находимся вблизи той точки во времени, когда практически все о работе мозга нам станет известно. Таково мое восприятие "десятилетия мозга", провозглашенного Дж. Бушем в 1990 г. То есть сейчас исследователи мозга, выражаясь языком Колумба, "видят берег". Постараюсь дать читателям хотя бы некоторое представление об очертаниях этого берега.

2. Отступление I: Российская физиология и прогресс мировой науки

Великий Иван Петрович Павлов обнаружил простейший существенный фундаментальный элементарный блок, на использовании которого строится, в основном, работа мозга. Это - элементарный (или, скорее - атомарный) условный рефлекс. Сейчас это бесспорно и признается всей мировой наукой. Но, разумеется, как прогресс в современной физике зиждется на достижениях Ньютона, но отнюдь к ним не сводится, так и прогресс в науке о мозге в существенной степени базируясь на новом понимании достижений Павлова, весьма многосторонен и многопланов.

Не удержусь и помяну недоброй памяти годы, когда - о, ирония судьбы, - в нашей стране утверждалось, что все, кроме условных рефлексов - буржуазное мракобесие (Павловская сессия Академии медицинских наук СССР, 1950 г.). Этот пример показывает, что даже в основе своей верные предпосылки могут отнюдь не вести к храму знаний. Для тех, кто не застал те годы, напомню: в 30-е - 50-е годы "советская физиологическая наука" догматизировала результаты нескольких отечественных столпов науки (условные рефлексы Павлова, диалектику торможения через возбуждение (парабиоз, доминанта и т.д.) Сеченова, Введенского и Ухтомского, фазовую концепцию нервного возбуждения Насонова и Александрова), а все остальное, включая кибернетику, предавала анафеме как "механицизм и метафизику".

Итак, достаточно давно стало ясно, что интеллектуальные процессы идут в коре больших полушарий. Павлов указал на условный рефлекс, как на один из основных "атомов" этих процессов в коре. В российской науке поколение чуть постарше нас (лет на 10-15) в силу только что упомянутых причин разделилось на адептов и сокрушителей идеологии "коры больших полушарий". Эта кора очень сложна и, как казалось "диссидентам", слишком сложна для того чтобы всерьез надеяться понять детали происходящих в ней нервных процессов. Гораздо больше шансов было разобраться с механизмами работы более просто устроенных структур: спинного мозга, мозжечка, гиппокампа.

Я сформировался как специалист по устройству и работе мозжечка. Надо сказать, что придя студентом МФТИ в 1962 г. в теоретический отдел Института биофизики АН СССР, возглавлявшийся уже тогда великим математиком и ныне здравствующим академиком И.М. Гельфандом, я был всерьез обижен тем, что мне вместо мышления предложили заниматься управлением движениями, а вместо большого мозга (т.е. коры больших полушарий) - мозжечком. Молодость, молодость..., это только в самое последнее время стало понятно, что распространенное (к сожалению) высказывание о футболистах, мол, ноги есть - ума не надо, глубоко неверно. Современные системы искусственного интеллекта прекрасно играют в шахматы, а вот в футбол - научатся нескоро. Словом, интеллектуальная сфера есть только малая надводная часть айсберга мыслительной деятельности. Я не говорю о подсознательном в традиционном фрейдистском понимании (это - отдельный предмет), а о массе процессов переработки огромных объемов поступающей в мозг первичной информации, соотнесении ее с тем, что хранится в мозге, и синтезе сигналов управления огромным числом степеней свободы организма.

Эти информационные процессы, особенно их периферическая часть, связанная непосредственно с сенсорами и преобразователями внешних воздействий в энергию нервных импульсов, а также первичная обработка потоков этих импульсов, - требуют огромных вычислительных ресурсов, имеющихся в нервной системе, и плохо получающихся в технических системах.

Сказанное зафиксировано в названиях и идеологии всемирных современных научно-технических суперпроектов (программ) века.

В предшествующее десятилетие развитие средств вычислительной техники во всем мире испытало сильное влияние со стороны инициированной Японией программы "Пятое поколение компьютеров". Основным лозунгом этой программы было развитие систем искусственного интеллекта на основе алгоритмических языков. В 1992 г. программа "Пятое поколение" была завершена и ей на смену пришла программа "Вычисления в Реальном мире".

3. Real World Computing (RWC)

Я привожу исходное название этой международной программы. Оно возникло и провозглашено в весьма патриотичной и отнюдь не англоязычной Японии, именно в той форме, как здесь написано, и без перевода понятно научной аудитории любой национальности.

Итак, программа "Вычисления в Реальном мире". Речь идет прежде всего о том, чтобы дать вычислительным и управляющим системам возможность самостоятельно, без помощи "переводчика"-человека воспринимать воздействия внешнего мира и действовать в нем. Авторы программы огромную роль - до 30-40% ее содержания отводят исследованию естественных и созданию искусственных нейросетевых систем.

Искусственные нейронные сети, они же коннекционистские или связевые системы представляют собой устройства, использующие огромное число элементарных условных рефлексов, называемых по имени недавно умершего канадского физиолога синапсами Хебба. Такой синапс, как основу возможных механизмов памяти и поведения, Д.Хебб описал теоретически в 1949 году, т.е. в первые годы после рождения кибернетики. Уже сейчас искусственные нейронные сети применяются для решения очень многих задач обработки изображений, управления роботами и непрерывными производствами, для понимания и синтеза речи, для диагностики заболеваний людей и технических неполадок в машинах и приборах, для предсказания курсов валют и результатов скачек. Я ограничусь перечислением, поскольку подробности займут слишком много места.

Таков один из "слонов", на котором сейчас стоит платформа современного научно-технического прогресса и одно из важнейших его направлений - программа RWC, провозглашенная Японией, как лидером современного научно-технического прогресса (во всяком случае - в отношении производства предметов и товаров в невоенных целях).

4. Нейрокибернетика

На протяжении трех последних десятилетий, раз в 2-4 года со всего Советского Союза съезжались в Ростов-на-Дону специалисты на всесоюзные с международным участием конференции по нейрокибернетике. Бессменным организатором этих конференций был профессор Александр борисович Коган (1912-1989). В 1992 г. прошла десятая конференция этого цикла. Она была посвящена памяти А.Б.Когана, человека, проявившего выдающиеся научные и организаторские способности, позволившие ему не только создать единственный в стране Институт нейрокибернетики (с 1992 г. институт носит имя своего основателя), но и организовать и скоординировать усилия исследователей "тайн мозга" во всесоюзном масштабе.

Собственно нейрокибернетика представляет собой широкое поле наук и технологий, связанных с пониманием устройства нейронных систем и применением полученных знаний в технике и медицине.

В частности, в Институте нейрокибернетики имеются научно-исследовательские отделы (в скобках указаны руководители подразделений):

- внутриклеточной организации нейрона, включающий лабораторию электронной микроскопии (к.б.н. В.Н.Гусатинский, к.б.н. Г.М.Федоренко);

-организации нейронных сетей, включающий лабораторию самообучающихся нейронных систем (к.б.н. А.Г.Сухов, к.б.н. В.Н.Ефимов);

- организации информационных и управляющих систем мозга (д.б.н. А.А.Буриков);

- организации высших функций мозга человека, включающий лабораторию нейрофизиологических механизмов психической деятельности (к.б.н. А.Э.Тамбиев, д.б.н. В.Н.Кирой);

- моделирования нервных механизмов и робототехники (А.И.Самарин);

- автоматизации медицинских исследований (д.б.н. Г.А.Кураев);

лаборатории:

- улучшения и восстановления функций сенсорных систем (д.б.н. Е.Б.Компанеец);

- физмологии и биохимиии нейропепетидов (д.б.н. А.М.Менджерицкий);

- методов и средств моделирования нейробионических систем и нейрокомпьютеров (Б.А.Финкельштейн);

- нейроинформатики сенсорных и моторных систем (к.б.н. Л.Н.Подладчикова);

- механизмов организации нервных процессов и управления поведением (к.б.н. Е.В.Вербицкий);

- методов анализа экспериментальных данных (д.б.н. Б.М.Владимирский);

а также - группа компьютерной графики (к.б.н. В.Д.Цукерман).

Среди задач, в решении которых в последнее время в Институте нейрокибернетики были существенные достижения: алгоритмы и детали механизмов распознавания полутоновых изображений человеком и животными, системы технического зрения, устройства и методы анализа электрического поля мозга человека, метод и устройство электрической стимуляции кожи века, излечивающие ряд заболеваний, связанных с частичной атрофией сетчатки и зрительного нерва, программные и аппаратные модели нейронных сетей и процессов обучения в них, выявление отдельных деталей нейронных механизмов памяти и анализа сенсорных сигналов, анализ механизмов и функций сна и гипнотических состояний, межполушарной ассиметрии, разработка методов и приборов психофизиологического естирования и диагностики оптимальных профессиональных склонностей.

5. Нейроинформатика

Та часть работ, которая связана с разработкой устройств переработки информации на основе принципов работы естественных нейронных систем относится к области нейроинформатики или нейровычислений (нейрокомпьютинга). Термины эти появились недавно - в середине 80-х годов. В то же время сравнение электронного и биологического мозга ведется постоянно на протяжении всей истории существования вычислительной техники. Знаменитая книга Н.Винера "Кибернетика", ознаменовавшая рождение этой науки в 1948 г., имеет подзаголовок "Управление в живых системах, технике и обществе".

Новый мощный импульс идея нейро-бионики, т.е. создание технических средств на нейро-принципах, получила в 1982-1984 гг. В это время размеры элементарных деталей вычислительных устройств сравнялось с размерами элементарных "преобразователей информации" в нервной системе. Быстродействие электронных элементов в миллионы раз больше, а эффективность решения задач, особенно связанных с ориентировкой и принятием решений в сложной естественной среде, у биологических систем выше.

Возникло подозрение, что живые организмы выигрывают за счет своих механизмов процессов переработки информации. Резко активировались фундаментальные и прикладные исследования в этой области. Сейчас нейроинформатика как наука уже обладает собственным аппаратом и предметом исследований.

Суть всех подходов нейроинформатики: разработка методов создания (синтеза) нейронных схем, решающих те или иные задачи. Нейрон при этом выглядит как устройство очень простое: нечто вроде усилителя с большим числом входов и одним выходом. Различие между подходами и методами - в деталях представлений о работе нейрона, и, конечно, в представлениях о работе связей. Собственно, как уже отмечалось выше, устройства нейроинформатики представляют собой связевые системы. В отличие от цифровых микропроцессорных систем, представляющих собой сложные комбинации процессорных и запоминающих блоков, нейропроцессоры содержат память, распределенную в связях между очень простыми процессорами. Тем самым основная нагрузка на выполнение конкретных функций процессорами ложится на архитектуру системы, детали которой в свою очередь определяются межнейронными связями.

Значительную роль в общем подъеме интереса к нейропроблемам сыграла теория, предложенная Джоном Хопфилдом в 1982 г. Она буквально заворожила на продолжительное время физиков-теоретиков. И хотя с точки зрения нейро- теоретиков и технологов эта теория мало что дала, возбужденные ей аналогии и каскады головокружительных теоретических вычислений доставили немало эстетических радостей адептам науки. Кроме того, теория эта представляет хорошее поле для освоения понятий и упражнений, помогающих образовывать и развивать аналитические и моделирующие способности студентов.

Не углубляясь в технические детали, скажу, что благодаря работам Хопфилда возникло мнение, что наряду с ферромагнетиками и антиферромагнетиками возможны нейромагнетики, т.е. теоретические конструкции того же класса, что и первые два, но разительно от них отличающиеся и описывающие только запоминание дискретных образов (или так называемых паттернов информации) в нейронных сетях.

Другой важный класс нейронных систем введен в рассмотрение финном Тейво Кохоненом. У этого класса красивое название: самоорганизующиеся отображения состояний, сохраняющие топологию сенсорного пространства. теория Кохонена активно использует теорию адаптивных систем, развивавшуюся на протяжении многих лет академиком РАН Я.З.Цыпкиным.

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.