Информация. Подборка из книг. Мозг человека и искусственный интеллект. Напалков А. В., Прагина Л. Л.. Условный рефлекс и алгоритм.

Одной из теоретических основ развития нейрофизиологии в наши дни является учение И. П. Павлова о высшей нервной деятельности ^[1]. Положения этого учения хорошо известны. Можно условно выделить два аспекта его развития. Один связан с раскрытием механизмов формирования сложного целесообразного поведения ^[2] человека и животных. Другой — с изучением нейрофизиологических механизмов работы мозга, анализом организации систем нервных клеток.

И, П. Павлов считал, что в основе высшей нервной деятельности человека и животных лежит выработка ^[3] и функционирование условных рефлексов ^[4]. Их формирование определяется комплексом специальных правил. Так, если в эксперименте, перед тем как собака получит безусловное подкрепление ^[5] (например, пищу), несколько раз включить индифферентный, безразличный для животных сигнал (например, белую лампочку), то вырабатывается новая временная связь и в ответ на условный раздражитель у животного начинается отделение слюны — реакция ^[6], которая ранее осуществлялась только при получении пищи. Правила приобретают более сложный вид, если объектом исследования является формирование двигательных условных рефлексов. В этом случае живые организмы, активно воздействующие на внешний мир, изменяют его. Таким образом:, правила работы мозга — это закономерности, определяющие взаимодействие внешней среды и организма.

Эта концепция, казалось бы, открывала пути для решения основных проблем, возникающих при изучении работы мозга. Правила формирования условных рефлексов обеспечивают, как писал И. П. Павлов, «уравновешивание внешней среды и организма», т. е формирование поведения ^[7], адекватного любым возникающим новым ситуациям. В то же время процесс замыкания новых связей между нервными клетками обеспечивает формирование нейрофизиологического субстрата выработки условных рефлексов.

Основная задача изучения работы мозга на современном этапе могла бы быть сведена только к анализу физических или химических процессов, ответственных за установление новых временных связей. Необходимые предпосылки для решения этой задачи могли бы, очевидно, возникнуть на основе анализа биоэлектрических и биохимических процессов в отдельных нервных клетках. Таким образом, получила обоснование и развитие целостная концептуальная схема, программа изучения работы мозга.

У Вас, уважаемый читатель, может быть, все же невольно возникнет сомнение. Можно ли на этой основе подойти к расшифровке действительно сложных форм высшей нервной деятельности? Ведь работа мозга человека проявляется в форме творчества ученого, инженера, писателя и т. д. Известно, что уже на стадии восприятия информации фактически имеет место осуществление сложного процесса «наложения» на рассматриваемые объекты создаваемых в мозгу человека целостных образов. Проследите, например, за тем, как Вы ориентируетесь, входя в новое помещение. Вы не воспринимаете и не производите дальнейшего преобразования всех поступающих из внешнего мира сигналов. Это попросту невозможно. Вы сразу опознаете характер помещения: магазин, зал кино, школа, жилой дом, и затем, -помимо Вашего сознания, Ваш мозг «задает» объекту восприятия последовательность «вопросов». Если это магазин, то где продавец? Мозг воспринимает только те сигналы, которые связаны с ответами на эти вопросы. Имеет место последовательная смена воспринимаемых сигналов, и в результате Вы получите представление об объекте, которое полностью соответствует целям Вашей деятельности и интересам.

В основе этого явления, очевидно, должны лежать какие-то в достаточной степени совершенные и сложные механизмы. В том случае, если Вы воспринимаете речь собеседника или слушаете радио, Ваш мозг также не воспринимает всех сигналов, соответствующих словам и тем более буквам текста. Уже на первых стадиях независимо от Вашего сознания осуществляется смысловое прогнозирование последующего текста, и в дальнейшем имеет место только сопоставление отдельных компонентов прогноза с элементами поступающего извне информационного потока. В этом легко убедиться, попробовав понять и запомнить быстро произносимые слова, не связанные между собой смысловым содержанием.

Не менее сложен процесс дальнейшей переработки информации. Советскими учеными В. Н. Пушкиным и О. К- Тихомировым было показано, что человек способен не только создавать новые методы решения возникающих перед ним проблем, но и по-новому ставить задачи, приводить их к такому виду, который допускает решение. Хорошо известна способность человека к эффективному прогнозированию результатов развития событии, к построению концепций, доказательству правдоподобия версий.

Интересно отметить, что мышление ^[8] человека протекает на двух различных уровнях. Один из них — это принятие решений специалистами. Этот вид умственной деятельности во многих случаях поддается научному анализу. Существуют учебные пособия по проектированию, административной деятельности. Опытный специалист может достаточно успешно передать приобретенный им опыт ^[9] ученикам. Профессиональные навыки имеют частный характер. Они формируются в процессе жизни и поэтому не могут составлять основы той информационной деятельности, которая реализуется в результате работы систем нервных клеток.

Наряду с этим существует- другой уровень работы мозга. Он определяет сложные механизмы интеллектуальной деятельности. Этот уровень — уровень протекания основных процессов переработки информации — является определяющим при функционировании нейрофизиологических систем мозга. Его исследование представляет наибольший интерес для науки, но сопряжено с большими трудностями.

Задачей изучения работы мозга является выявление полной картины механизмов, которые обеспечивают переработку информации на всех уровнях, и организации субстрата, реализующего информационную деятельность.

Можно ли допустить, что в основе всех перечисленных сложных явлений работы мозга лежит выработка условных рефлексов и что субстратом, на котором реализуются эти процессы, служит образование временных связей между отдельными нервными клетками? Не слишком ли велико различие между таким, казалось, простым понятием, как условный рефлекс ^[10], и такой сложной системой представлений, которая необходима для понимания творческой, мыслительной деятельности человека?

Эту проблему не следует упрощать, утверждают в наши дни сторонники рефлекторной теории, конечно, условные рефлексы и отдельные временные связи не существуют изолированно друг от друга. Они объединяются в сложные системы, и именно в таких организациях возникают те новые в качественном отношении явления, которые и составляют основу интеллекта ^[11] человека и рассудочной деятельности животных. Но в этом случае нужно изучать, как именно возникают и функционируют такие системы, и доказать, что при их взаимодействии действительно возникают новые явления.

Кибернетика активно вмешалась в эту дискуссию. Была предложена методика для проверки правомерности концепций, связанная с построением кибернетических моделей — элементов искусственного интеллекта. Подобно тому как биохимик, раскрывающий структурные формулы веществ, может доказать правоту своей гипотезы путем осуществления искусственного синтеза сложного вещества из простых компонентов, так и физиолог может воссоздать модель исследуемого им явления, используя вычислительные машины. Если ученые достаточно полно раскрыли механизмы той или иной формы работы мозга, например способности к обучению, построению планов, то они могут подтвердить полноту анализа, используя методику искусственного синтеза. Такой путь может подсказать ученому, какие именно компоненты целостной системы еще недостаточно изучены, и наметить на этой основе проведение новых исследований.

Вторжение кибернетики в область физиологии высшей нервной деятельности привело к ломке некоторых существовавших ранее представлений. Возникло опасение, что это может привести к разрушению стройного здания, которое было создано трудами многих исследователей. Поэтому некоторые ученые весьма настороженно отнеслись к возникающему потоку новых идей. Однако в наши дни становится очевидным, что проведенная реконструкция не только не привела к разрушению теории И. П. Павлова, а, наоборот, позволила построить более совершенное здание в этой области науки.

Как уже говорилось, при выработке условных рефлексов реализуется ряд” правил, которые определяют восприятие внешних сигналов и ответы на них, т. е. закономерности взаимодействия внешней среды и организма. Эти правила можно было представить’ в форме специального автомата или программы для вычислительной машины и проверить, появляется ли у таких кибернетических моделей способность к формированию целесообразного поведения в новых условиях. Такое исследование могло одновременно привести как к проверке одного из важных положений теории И. П. Павлова, так и к построению элементов «искусственного интеллекта».

Были созданы модели выработки условного рефлекса ^[12]. Обычно такие модели реализовывались в виде игрушек: мышей, черепах, белок. Игрушки были способны к обучению, они вырабатывали новые реакции на внешние сигналы. Например, в ответ на вспыхивание лампочки черепаха или белка могла осуществить поступательное движение вперед и захватить предмет при помощи конечностей.

На основе изучения таких моделей не удалось подтвердить возможности использования представлений о выработке условных рефлексов для объяснения сложных форм работы мозга человека и животных. Использование методов кибернетики как будто бы поставило под сомнение правомерность одного из основных положений учения И, П. Павлова — положения о возможности обеспечения механизмов формирования сложного поведения. Выяснилось, что описываемые модели «искусственного интеллекта» имели существенные недостатки. При их создании заранее нужно было определять тот сигнал, который будет играть роль условного раздражителя, и то движение, которое будет осуществляться в ответ на включение сигнала Между тем, как известно, человек и животные в процессе обучения могут формировать новые рефлекторные реакции, связывающие любые новые сигналы и их комплексы с любыми вариантами двигательных ответов. однако, даже если при создании моделей реализовалась возможность одновременного формирования большого числа условных рефлексов, способности вновь созданных автоматов было трудно сопоставить с теми явлениями, которые возникли в результате работы мозга человека и высших животных.

Одна из попыток выхода из создавшейся ситуации была связана с использованием концепции о «системности» в работе мозга. Формирование отдельных условных рефлексов не обеспечивало возникновения целесообразного поведения. Может быть, эти явления проявятся как результат построения и функционирования сложных агрегатов, объединяющих в единой конструкции большое число условных рефлексов? Была выдвинута гипотеза, что условные рефлексы объединяются в более сложные организации, в которых возникают новые в качественном отношении явления. Именно эти явления и становятся основой функционирования сложных механизмов работы мозга. Трудности, встречающиеся при использовании учения И. П. Павлова для раскрытия механизмов формирования сложных форм поведения, могут быть преодолены в результате перехода от исследования отдельных условных рефлексов к анализу закономерностей формирования и функционирования сложных систем.

Стало очевидным, что если принять эту гипотезу, то неизбежно придется решать ряд новых проблем. Каким образом вырабатываются более сложные системы условных рефлексов, как они объединяются в целостные организации, как эти организации взаимодействуют друг с другом, какую роль такие «агрегаты» играют в жизни человека и животных и, наконец, можно ли объяснить сложные формы работы мозга с точки зрения ^[13] формирования систем условных рефлексов различных типов и их взаимодействия?

Проведенные исследования показали, что при изучении систем рефлексов выявляются специфические комплексы правил, которые не проявляются при выработке одиночных условных рефлексов. Такие результаты как будто бы открывали возможности для анализа механизмов формирования более сложного поведения человека и животных.

И. П. Павловым был открыт принцип подкрепления условных рефлексов безусловными как фактор, определяющий формирование нового поведения человека и животных. При изучении систем условных рефлексов было показано, что само подкрепление носит более сложный характер. Оно не только имеет «безусловный» характер, может быть не только врожденным (пища, исчезновение болевого раздражения), но и вырабатывается в процессе жизни человека и животных. Удалось показать, что в определенных условиях возникают такие сигналы, которые могут служить базой для выработки новых условных рефлексов и цепей условных рефлексов в условиях, когда отсутствует безусловное подкрепление {например, пища). Выяснилось также, что эти новые подкрепляющие раздражители ^[14] объединяются в целостные организации, в которых наблюдается определенное соподчинение компонентов (иерархия). Одни сигналы играют роль «ориентиров», их включение приводит только к временной фиксации в памяти ^[15] новой информации и к возникновению определенной последовательности пробных воздействий на внешнюю среду. Другие сигналы, так называемые сигналы «фиксирующего подкрепления», приводят к выработке и закреплению новых систем условных рефлексов в ситуации, когда отсутствует безусловное подкрепление (например, подкрепление пищей или исчезновение болевого раздражителя). В частности, было обнаружено, что подкрепляющими сигналами фиксирующего типа становятся компоненты рефлекса на комплексный раздражитель.

Этот вывод также содержал в себе определенные элементы новизны. Дело в том, что формирование рефлекса на комплексный раздражитель было детально изучено в работах И. П. Павлова и его учеников. Как известно, условия эксперимента предусматривали предъявление животному одновременного комплекса сигналов. Если предъявлялся комплекс, например звонок и свет, то животное получало пищу. Если предъявлялся только один раздражитель, например звонок, и не предъявлялся свет, то пища не давалась. При этом возникала способность «различения» всего комплекса от отдельных компонентов. Реакции осуществлялись только в ответ на комплексный раздражитель. В элементах, которые соответствовали компонентам комплекса, например компоненту, соответствующему включению одного звонка, возникало внутреннее торможение. Такой сигнал приобретал тормозное значение, предотвращающее возникновение рефлекторной реакции.

Экспериментальные данные, полученные при изучении систем рефлексов, в какой-то степени изменяли эту систему представлений. Было показано, что наряду с тормозным значением элемента рефлекса на комплексный раздражитель, которое проявлялось по отношению к осуществлению рефлекторной реакции, данный сигнал выполнял и активную роль, что было связано с возникновением специфического процесса возбуждения. Сигнал становился достаточной основой для формирования новых рефлекторных реакций, которые никогда непосредственно не подкреплялись пищей и в то же время не исчезали.

Детальное рассмотрение этой проблемы привело к выявлению целого комплекса правил (закономерности взаимодействия среды и организма), определяющих формирование таких систем подкрепляющих раздражителей. Наряду с этим был выявлен комплекс правил, лежащий в основе использования системы подкреплений при выработке новых систем рефлексов.

Можно ли считать, что полученные данные приводят к расшифровке механизмов формирования сложного поведения или хотя бы приблизят решение этой проблемы? Для того чтобы определить эффективность выявленных правил и полноту описания всей системы, ученые решили реализовать ее в виде специального автомата и изучить свойства созданной модели. Если такой автомат будет обладать способностью к обучению, принятию решений, то это значит, что выявлен полный набор правил. Если же результаты окажутся отрицательными, то следует провести дальнейший поиск.

Для решения этого вопроса был создан новый вариант модели «искусственного интеллекта». Студентами Московского энергетического института А. И. Лецким, В. Б. Свечинским и другими под руководством физиолога профессора С. Н. Брайнеса и инженера Ю. Н, Кушелева был построен «обучающийся автомат», который воспроизводил способность к выработке цепей условных рефлексов. Этот автомат, подобно человеку, мог формировать поведение определенного типа.

«Обучающийся автомат» состоял из комплекса ячеек, каждая из которых включала схему формирования условного рефлекса. Объединение этих ячеек в структуру типа матрицы обеспечивало возможность перекомбинации различных действий и сигналов друг с другом. Так, фактически для любого из сигналов можно было найти нужное ответное действие. Это позволяло связать различные сигналы внешней среды с различными действиями. Однако «обучающийся автомат» имел ограниченное количество ячеек. Можно было связать только те элементы, для которых имелся специальный «вход» в систему или специальный «выход». Несмотря на это, созданная модель выгодным образом отличалась от других кибернетических систем. С ее помощью можно было увеличить диапазон используемых действий и воспринимаемых раздражителей.

«Обучающийся автомат» был продемонстрирован на Выставке достижений народного хозяйства в павильоне “«Высшая школа» и привлек большой интерес посетителей. Была предпринята попытка его использования для решения практических задач. Ученые задумали на этой основе создать «диспетчера», осуществляющего управление производством каучука. Такой диспетчер, подобно человеку, должен был обладать способностью постепенно накапливать и обобщать опыт, чтобы в конце концов самостоятельно выработать программу поведения, дающую максимальный эффект при управлении производственными процессами.

Можно ли на основе использования правил формирования новых комплексов подкрепляющих сигналов подойти к объяснению механизмов сложных форм поведения человека и животных? Для решения этой проблемы были проведены специальные эксперименты. При исследовании работы созданной модели были продемонстрированы новые способности, «Обучающийся автомат» позволил реализовать описанные выше правила в форме кибернетической модели и тем самым подтвердить полноту проведенного при изучении систем условных рефлексов

научного анализа. Стало понятным, что создание описанной выше системы подкрепляющих раздражителей исключает ряд трудностей, возникающих при объяснении механизмов, лежащих в основе сложного поведения. Выяснилось, каким образом возникают те новые подкрепляющие сигналы, которые определяют возможность сложных форм работы мозга, обеспечивающих приспособление человека к окружающим условиям среды.

Однако при изучении работы автомата в более сложных условиях было показано, что он не может самостоятельно приспосабливаться к новым требованиям внешней среды. На это указали, в частности, попытки практического использования автомата. В то время как человек, выполняющий работу диспетчера, постоянно приобретал опыт и адаптировался к новым условиям, автомат в этих ситуациях показывал свою неспособность к формированию нового поведения. Тем самым был поставлен под сомнение тезис о том, что формирование цепей условных рефлексов на основе описанных принципов может обеспечить процесс «уравновешивания внешней среды и организма». Если условия внешней среды были просты, то уравновешивание могло быть достигнуто. Но в реальных условиях жизни человека и животных простые ситуации встречаются редко. В более сложных условиях правила формирования цепей условных рефлексов оказывались недостаточными для того, чтобы вырабатывать новое целесообразное поведение.

Изучение работы «обучающегося автомата» привело также к выводу о том, что формирование отдельных временных связей не может являться основой формирования поведения человека и животных. Стала очевидной необходимость разработки более сложных концепций, определяющих возможность реализации процесса выработки систем условных рефлексов в нейрофизиологических структурах.

Подводя некоторые итоги сказанному, можно отметить, что использование метода кибернетического моделирования помогло ученым проверить полноту описания правил и методов, позволяющих осуществлять искусственный синтез элементов интеллекта. Было показано отсутствие возможности решения основной проблемы расшифровки Механизмов информационных систем, лежащих в основе сложных форм интеллектуальной деятельности, таких, например, как способность к формированию новых концепций, построению гипотез, версий о причинах событий и к их доказательству или же распознаванию тенденций в развитии событий. И снова у исследователей возник вопрос: возможно ли это в принципе? Какие новые идеи и методы должны быть привлечены для решения этой проблемы?