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

Развитие современных представлений о роли алгоритмов позволило более полно оценить значение учения И. П. Павлова. В прошлом было принято подчеркивать, что И. П. Павлов создал объективный метод изучения работы мозга, основанный на использовании физиологических способов проведения эксперимента. В наши дни стала возможной более широкая постановка и трактовка этого учения.

В течение многих столетий ученые делали попытки раскрыть тайны интеллектуальной деятельности. Однако они использовали такие понятия, как «постановка цели» (целеполагание), «анализ ситуации», «построение гипотезы». При этом казалось естественным исходить из представления о том, что мышление человека всегда предметно и осмысленно. В основе мышления лежит слово, речь. Если исключить из рассмотрения «содержание», «смысл», произойдет потеря предмета исследования, совершится переход от анализа интеллекта к выяснению каких-то очень простых, общих для человека и животных форм поведения ^[1].

Такие традиции предопределяли и специфику организации экспериментов. Так, в опытах известного исследователя поведения ^[2] животных В. Келлера обезьяны, для того чтобы достать фрукты, подвешенные к потолку экспериментальной камеры, должны были составить ящики в форме пирамиды или же соединить вместе палки В ходе эксперимента проводилась точная регистрация всех действий животного. Опыт ^[3] показал, что животные не осуществляют беспорядочных пробных действий. В случае неудачи они некоторое время сидят неподвижно, как будто бы «обдумывают», «анализируют» свои ошибки ^[4], а затем, вновь приступая к деятельности, демонстрируют наличие нового целостного плана. Было показано, что обезьяны обладают зачатками способностей к орудийной деятельности, что позволило сделать выводе наличии у высших животных целостных систем образов (гештальгов), которые используются ими при формировании поведения.

Известная советская исследовательница Н. А. Ладыгина-Коте с целью более полного изучения особенностей «мышления» человекообразных обезьян воспитывала детеныша шимпанзе вместе со своим сыном. Логика ^[5] эксперимента в этом случае основывалась на стремлении исключить влияние различных факторов внешней среды на формирование интеллекта и выявить таким образом основные, существенные отличия в работе и развитии механизмов мышления. Удалось описать большое количество фактов, характеризующих специфику поведения ребенка и детеныша шимпанзе в тех или иных сходных ситуациях. Однако различие в работе механизмов работы мозга выявить не удалось.

Результаты приведенных выше зоопсихологических исследований очень интересны. Они раскрывают специфику работы мозга различных животных, позволяют понять этапы эволюционного развития интеллекта. Однако при этом не удается ответить на вопрос, какие механизмы лежат в основе способности шимпанзе строить новые планы поведения, что такое «гештальты», как они образуются

В психологических экспериментах использовались методики, позволяющие анализировать поведение человека в тех или иных ситуациях, регистрировать движения глаз, например перемещение взора испытуемого в процессе игры в шахматы Однако при этом оказывалось, что в различных ситуациях и на различных стадиях игры динамика рассмотрения человеком шахматного поля различна. Обработка полученных в эксперименте данных приводила к интересным результатам, например были выявлены специфические особенности тактик рассмотрения, используемые опытными и начинающими игроками, но не удавалось выявить правил, отражающих основные, инвариантные механизмы работы мозга.

И П. Павлов разработал другой путь исследования. Он исключил из опыта конкретные объекты (палки, ящики), с которыми животные встречались уже раньше в процессе жизни и по отношению к которым уже имелся некоторый опыт, а также исключил «осмысленные» ситуации в опытах на человеке. Он использовал такие сигналы, как, например, свет. Сама физическая их природа не имела при этом значения. Было важно только их соотношение друг с другом. Например сигнал — вспышка белой лампочки — появлялся перед тем, как животное получало пищу. В других опытах создавалась ситуация, при которой пища в кормушке появлялась тогда, когда белая лампочка и звонок включались одновременно. Если же включались только белая лампочка или только звонок, то пища не появлялась Такие соотношения взаимного дополнения сигналов, как известно, определяли выработку ^[6] рефлекса ^[7] на комплексный раздражитель.

Что же достигалось при помощи данной методики и что при этом терялось?

Достигалась возможность обнаружения общих правил работы мозга, которые были применимы в любых конкретных ситуациях и не зависели от того, имело ли животное дело с ящиками или палками. Исключалось маскирующее влияние, которое вносили частные ситуации, и открывались пути для выявления основных законов информационной деятельности. Терялась возможность рассмотрения сложных целостных интеллектуальных процессов. Опыты И. П Павлова носили аналитический характер. Они как бы вычленяли из сложных систем реальных процессов отдельные части и обеспечивали их детальное, точное исследование. Однако при этом оставались открытыми вопросы о том, выявлены все ли правила работы мозга. Достиг ли эксперимент того уровня, на котором можно объяснить, например, механизмы работы мозга обезьяны, которая строит планы для того, чтобы, взобравшись на пирамиду из ящиков, достать фрукты?

После того как мы познакомились с проблемами, возникающими при изучении алгоритмов работы мозга, мы можем с новых позиций оценить различие между методами, разработанными И. П. Павловым, и психологическими подходами к исследованию. Становится понятным, что методики, основанные на использовании конкретных объектов и понятий, не могут привести к раскрытию алгоритмов. Они обеспечивают выявление и описание только частных «внешних» результатов их деятельности. Таким образом, оказываются закрытыми пути и расшифровки механизмов работы мозга. Вместе с тем методика И. П. Павлова, основанная на абстрагировании от конкретных свойств объектов, может обеспечить выявление отдельных компонентов алгоритмов, правил работы мозга. Однако и она не раскрывает структуру алгоритма полностью.

Очевидно, что каждая из описанных методик самостоятельно не решала проблемы полного анализа механизмов поведения. Необходимо было их комплексное использование. На первом этапе нужно было изучить целостное комплексное явление, на втором — поставить аналитические эксперименты, а на третьем — доказать полноту проведенного анализа, вновь возвращаясь к целостному эксперименту.

В наше время описанная схема исследования обогащается за счет использования средств кибернетики и построения элементов искусственного интеллекта. После того как оказываются выявленными правила работы мозга, они должны быть представлены в виде алгоритма и реализованы в форме программы для вычислительной машины. Изучение работы такой «кибернетической системы» позволяет выяснить, возникает ли в этом случае в модели способность живых организмов к обучению или принятию

решения; если нет, то проводится анализ причин и организуется дополнительное аналитическое экспериментальное исследование.

Представления о необходимости организации комплексных исследований описанного типа пришли в науку не сразу. Им предшествовал период, когда сторонники каждого из перечисленных подходов доказывали преимущество используемого ими метода и отрицали достоинства другого. Между тем комплексный подход уже давно продемонстрировал свою эффективность при развитии других отделов науки и был детально изучен в области марксистско-ленинской теории познания. Известно, что, для того чтобы понять, как устроена такая сложная оптическая система, как глаз человека, было необходимо предварительное изучение простых «искусственных объектов» исследования типа систем линз. На таких объектах выявлялись общие, инвариантные по отношению к специфике частных оптических систем законы преломления света. Затем удалюсь подойти к анализу работы существующих сложных оптических систем и к построению полезных для человека приборов. Очевидно, что споры о том, какой метод лучше — метод выявления законов на основе использования систем простых, искусственно созданных линз или метод анализа работы целостной зрительной системы ^[8] человека — в наши дни не имеет никакого смысла. Оба подхода необходимы. Они дополняют друг друга, создавая целостную систему.

Методы, используемые психологами и зоопсихологами, и методы, предложенные И. П. Павловым, в наши дни должны, видимо, рассматриваться как различные аспекты единого процесса исследования.

Следует подробнее остановиться еще на одной важнейшей особенности учения” И. П. Павлова. Мы уже говорили о том, что И. П. Павлов исключил из рассмотрения конкретные свойства объектов, а также анализ тех частных закономерностей, которые, например, определяют возможность построения пирамиды и устойчивость. Между тем поведение животных основано на раскрытии и использовании именно этих частных закономерностей. Можно ли, исключив их из рассмотрения, понять, как же происходит решение животным задачи? Можно ли считать, что свойства предметов, объектов окружающего нас мира не существенны, что ими можно пренебречь в исследовании работы мозга? Видимо, такой вывод привел бы к ошибкам. Как же тогда объяснить те положительные результаты, которые удалось достигнуть И. П. Павлову?

Поднятый нами вопрос относится к одной из важнейших проблем теории познания — проблеме использования абстракции в изучении окружающей нас действительности. На многочисленных примерах было показано, что эффективные результаты достигаются в том случае, если удается абстрагироваться от несущественных, маскирующих основной процесс элементов и свойств изучаемых объектов. Однако значение абстракция заключается не только в исключении чего-то лишнего, а в выявлении той «сущности явлений», которая не может быть раскрыта непосредственно в эксперименте.

Ф. Энгельс писал: «Паровая машина явилась убедительнейшим доказательством того, что из теплоты можно получить механическое движение. 100000 паровых машин доказывали это не более убедительно, чем одна машина, они только все более и более заставляли физиков заняться объяснением этого. Сади Карно первый серьезно взялся за это, но не путем индукции. Он изучил паровую машину, проанализировал ее, нашел, что в ней основной процесс не выступает в чистом виде, а заслонен всякого рода побочными процессами, устранил эти безразличные для главного процесса побочные обстоятельства и сконструировал идеальную паровую машину (или газовую машину), которую, правда, так же нельзя осуществить, как нельзя, например, осуществить геометрическую линию или геометрическую плоскость, но которая оказывает, по-своему, такие же услуги, как эти математические абстракции: она представляет рассматриваемый процесс в чистом, независимом, неискаженном виде».

В наши дни эти важнейшие положения, связанные с выявлением роли абстракции, были развиты в трудах советских ученых. Известный исследователь в области теории познания С. Л. Рубинштейн писал: “Абстракция… менее всего заключается в субъективном акте негативного порядка — не учета, не обращения внимания на те или иные обстоятельства; она состоит в выявлении того, какими выступают вещи, явления и их зависимость от других явлений, когда выключаются маскирующие или видоизменяющие их внешние обстоятельства. Собственные внутренние свойства вещи — это те, которые выступают в «чистом виде», когда выключается маскирующий их эффект всех привходящих обстоятельств, в которых они обычно бывают даны в восприятии. Эти собственные, внутренние свойства вещи в отличие от осложненной привходящими обстоятельствами формы их проявления на поверхности действительности и составляют то, что обычно на философском языке обозначают как «сущность» вещей, их существенные свойства в их закономерных связях».

Построение абстрактных систем связано с преодолением серьезных трудностей. Этот процесс не может быть осуществлен на основе простого обобщения имеющихся фактов и использования сложившихся в той или иной области науки систем понятий и языка описания явлений. Так, например, на определенном этапе изучения движения небесных тел имело место непосредственное наблюдение за движением отдельных планет. Ученым в этот период времени, наверное, показалось бы странным, если бы им сказали, что успехи в развитии этой области науки будут достигнуты на основе построения абстрактной теории, которая не будет рассматривать данные о движении каждой планеты в отдельности. При этом не будут использоваться и созданные ранее понятия, например, названия планет. Однако мы знаем, что решить многие проблемы удалось благодаря построению абстракции. На основании созданной Ньютоном теории оказалось возможным вывести как следствие все выявленные ранее закономерности и сделать точный расчет траектории движения небесных тел. Конкретное исследование движения каждой планеты потеряло свое значение. Далее в результате создания Эйнштейном теории относительности была создана теория еще более общего типа.

В чем же заключалось значение учения великого советского исследователя И. П. Павлова? В том, что-он установил соотношение условного рефлекса ^[9] и временной связи, или в том, что он создал экспериментальные методы, позволяющие учитывать количественную сторону процесса формирования условного/ рефлекса? Да, безусловно, это было очень важно. Однако наиболее существенным моментом, по нашему убеждению, являлось то, что он ввел элемент абстракции в изучение работы мозга. Учение И. П. Павлова позволило абстрагироваться от конкретного смыслового значения, исключить маскирующие основной процесс факторы и создать возможность изучать общие инвариантные законы и механизмы деятельности мозга, понять скрытую от непосредственного восприятия сущность явления. И так же, как это было в прошлом, в наши дни трудно понять, каким образом, изучая интеллектуальную деятельность человека, можно абстрагироваться от смысловой, содержательной стороны явления, исключить использование таких понятий, как «решил», «поставил цель», и др. Однако такой переход неизбежен для того, чтобы понять истинные механизмы работы мозга.

Следует отметить, что построение абстрактных систем не означает отход от анализа конкретных фактов. После того как на основе использования этого метода удается выявить общие законы и механизмы явления, осуществляется возврат к рассмотрению реальности. Важно увидеть проявление законов в конкретной действительности, применить их в практической деятельности человека. Так, например,, эффективность теоретической механики была доказана в результате применения выявленных общих законов к анализу движения конкретных небесных тел„ а в наши дни. — на основе расчета траекторий движения спутников.

Теория И. П. Павлова не составляет в этом отношении исключения. Ее сила и значимость определяются созданием абстрактной системы, возможностью абстрагироваться от конкретных свойств объектов. В результате удалось выявить общие законы работы мозга. Однако это не исключает необходимости рассмотрения реальных форм поведения, в которых следует показать роль и конкретное воплощение работы полученных закономерностей.

Вернемся теперь к проблеме выявления алгоритмов. Основные трудности их изучения заключались в том, что специфика частных форм поведения (внешнего проявления) приводила к маскировке лежащих в их основе алгоритмов. Естественно напрашивается вывод о том, что единственный путь преодоления этих трудностей — построение абстрактных систем, которые могли бы обеспечить представление рассматриваемых процессов и явлений (работы алгоритмов) в чистом, неискаженном виде. Вместе с тем становится очевидным, что построение такой абстрактной системы и составляет одну из существенных особенностей учения И. П. Павлова. Таким образом наметились общие проблемы в’ различных областях науки. Выявляемые в опытах правила работы мозга, например, правила формирования новой системы подкреплений, правила использования этой системы при формировании нового поведения, обладали многими свойствами, которые определяют работу алгоритмов. Эти правила оказывались детерминированными. Их сущность не зависела от того, какая именно система будет реализовывать эти правила. Совокупность правил обеспечивала формирование нового поведения в различных конкретных условиях среды, т. е. решение определенного класса задач (свойство массовости).

Появление способностей к исследовательской деятельности, обучению и формированию нового поведения можно было рассматривать как некоторое качественно новое явление, возникающее при работе совокупности правил. Таким образом, можно было говорить и о наличии свойства результативности.

Новые тенденции в развитии науки, связанные с изучением систем условных рефлексов и использованием методов кибернетики, привели к более полной оценке значимости учения о высшей нервной деятельности ^[10] для развития современной науки. Справедливость этих выводов подтверждалась сходством между результатом, полученным при изучении системы условных рефлексов, и определением понятия «алгоритм».

Вместе с тем ^концепция алгоритмического анализа давала возможность понять причины возникших ранее трудностей и наметить пути их преодоления. Мы говорили о том, что при изучении систем условных рефлексов было трудно определить полноту выявленных правил и понять, действительно ли эти правила результативны. Концепция работы алгоритмов позволяла решить эти проблемы. В том случае, если правила объединялись в алгоритм и доказывалась эффективность работы алгоритма, можно было говорить об определенной завершенности процесса ис-следования.

Мы упоминали также о трудностях, возникающих в связи с изучением соотношения правил работы мозга и реализующих их осуществление нейрофизиологических механизмов. Преодолеть их позволяла концепция алгоритмического анализа. Алгоритм мог быть реализован на различном физико-химическом субстрате, поэтому его структура не обязательно совпадала с организацией физико-химической системы. Возникло предположение о том, что в процессе эволюции головного мозга был использован более сложный принцип организации, который предусматривал отсутствие прямого соответствия между выработкой условного рефлекса ^[11] и формированием определенной временной связи.

Казалось бы, находила свое решение проблема соотношения информационной деятельности и организации нейрофизиологических систем живых организмов. В процессе исследования было выявлено большое количество алгоритмов, которые в целом, как совокупная система, реализовались на физико-химическом субстрате. При этом морфофизиологическая система головного мозга приобретала специфические новые функции. Она не была связана непосредственно с реализацией процесса обучения, памяти ^[12], принятия решения, формирования систем условных рефлексов. Ее функции определяли другие задачи, задачи создания условий для работы алгоритма.

Подобно тому как устройство универсальной вычислительной машины было рассчитано на работу различных программ, по-видимому, и при функционировании мозга решалась задача обеспечения совокупности работы многих алгоритмов, что исключало возможность непосредственной связи организации морфофизиологического субстрата информационной деятельности с каким-либо одним информационным механизмом. Сложные формы психической деятельности, в том числе явления обучения, памяти, исследовательской деятельности, поведение животных, возникали не непосредственно в результате работы нервных центров ^[13], а как следствие функционирования большого количества алгоритмов.

Приведенное выше более полное понимание учения И. П. Павлова поставило перед учеными новые вопросы. Стала очевидной необходимость выявить все основные правила работы мозга и закономерности, определяющие его взаимодействия с внешним миром, и доказать, что в результате их совокупной деятельности возникают такие явления, как способность человека к принятию решений, к построению новых систем понятий, концепций. Все более настойчиво давала о себе знать проблема построения таких форм аналитических экспериментов, которые бы в абстрактном виде отражали все особенности работы мозга человека и животных в различных реальных условиях. Наконец, определилась задача выявления элементарных единиц информационной деятельности и доказательство того, что все сложные формы работы мозга могут быть представлены как результаты взаимодействия конструкций, которые состоят из этих единиц.

При использовании учения И. П. Павлова для анализа сложных форм работы мозга было необходимо усовершенствовать методику исследования. Б опытах И. П. Павлова были реализованы достаточно простые формы соотношения внешней среды н организма. Подавались отдельные сигналы, которые сочетались с появлением безусловного подкрепления ^[14] (с удовлетворением какой-либо потребности ^[15] животных). Фактически имело место изучение работы мозга только в условиях внешней среды, в которых присутствовали изолированные причинно-следственные отношения.

Если все сигналы обозначить буквами а₁ a₂, …,а_п, а действии — буквами б₁ 6₂, … б_m, то эти отношения можно представить схемой а₁->б₁-> подкрепление. Такие условия реальной внешней среды встречаются относительно редко. Чаще всего человек и животное сталкиваются с наличием сложной системы взаимосвязей между явлениями и объектами и возможностью осуществления живыми организмами воздействий на внешний мир. Так, большое значение имеют отношения взаимозаменяемости, взаимного дополнения и взаимного исключения компонентов. Примеров таких отношений можно привести очень много. Например, наличие определенных веществ может привести к торможению целой системы химических. реакций (отношение взаимного исключения).

Для того чтобы изучить основные законы высшей нервной деятельности, оказалось необходимым перейти от рассмотрения таких конкретных примеров-отношений к их абстрактному представлению в виде целостной модели, к описанию таких условий среды, в которых данные отношения объединялись бы в более сложные системы.