- BrainTools - https://www.braintools.ru -

Информация. Подборка из книг. Мозг человека и искусственный интеллект. Напалков А. В., Прагина Л. Л.. Информационные механизмы работы мозга.

Организация информационных механизмов

Была сделана попытка решения описанных выше проблем на основе аналитико-синтетического подхода. Идея исследования состояла в том, чтобы на стадии анализа на основе уже имеющихся в распоряжении исследователей сведений об алгоритмах попытаться расчленить сложные формы работы мозга на отдельные компоненты. На этапе синтеза ставилась задача, используя метод моделирования, из этих компонентов вновь синтезировать целостное явление. Имелось в виду, что сочетание этих двух этапов исследования позволит выявить существование недостающих звеньев информационных систем. На этой основе можно будет поставить новые эксперименты с целью их детального изучения. По мнению инициаторов и исполнителей работы, такой путь должен был позволить выявить все компоненты информационных систем, раскрыть принципы их организации и взаимодействия друг с другом, а также решить поставленную выше проблему возможности представления агрегатов (блоков) информационных функциональных систем как организаций, состоящих из простых элементов.

В одной из работ, проведенной нейрокибернетиком Московского университета Н. В. Целковой, в качестве примеров интеллектуальной деятельности человека была выбрана головоломка, игра в «15». Напомним, что в определенный период времени эта игра настолько заинтересовала людей, что ею занимались почти все, проводились специальные конкурсы. Подобный же интерес в настоящее время вызывает другая головоломка «кубик Рубика». Хотя внешне обе головоломки отличаются друг от друга, однако можно установить некоторое внутреннее единство в характере решаемых задач.

Было показано, что применение моделей изученных ранее алгоритмов оказалось недостаточным. В связи с этим была поставлена задача выявления недостающих звеньев системы на основе использования описанной выше методики (с. 44) на установке, позволяющей изучать работу алгоритмов. Ставилась задача выявить те механизмы, которые используются в ходе решения головоломки.

Было обнаружено, что в рассматриваемых условиях перед человеком возникали специфические трудности. В ходе поиска испытуемые настолько интенсивно изменяли внешнюю среду, что процесс формирования отдельных условных рефлексов [1] и их последующее объединение в систему оказывалось невозможным. Вместе с тем на каждом этапе поиска возникала необходимость переработки и запоминания такого большого количества вариантов, что их было трудно удержать в памяти [2].

Эти трудности предопределяли ряд специфических вторичных задач, которые решались в процессе работы мозга Одна из них была связана с выделением автономных подсистем информационной деятельности. Решение этой задачи приводило к существенному сокращению объема переработки информации на каждой из стадий поиска. При этом возникали более частные задачи, такие как задача выбора автономных подсистем, допускающих их изолированное изучение и использование, задача совмещения в единое целое результатов работы над отдельными частями. Другая задача — первоначальное, выявление общих принципов организации схемы, реализованной на экспериментальной установке с тем, чтобы затем оказалось возможным формирование отдельных условных рефлексов. И наконец, возникала задача исключения возможности захода в тупиковые ситуации, в которые попадали испытуемые и из которых затем трудно было выйти.

При проведении исследования было показано, что использование ранее описанных компонентов Информационных систем (правил работы мозга, алгоритмов) недостаточно для решения этих информационных задач. Решение достигалось только в результате работы целостных информационных механизмов, которые включали алгоритмы только как одну из составных частей своей целостной организации. Был выявлен ряд других компонентов, из которых слагались информационные механизмы и были изучены принципы, определяющие объединение этих компонентов в целостные системы. Один из них — «вспомогательные системы условных рефлексов». Такие системы существенным образом отличались от изученных ранее систем условных рефлексов. Они сами по себе не становились основой выработки [3] программ поведения [4] и составляли тот костяк, на котором строилась работа механизмов. Эти факты были в значительной степени неожиданными для ученых, изучающих высшую нервную деятельность [5].

Как известно, в экспериментах И. П. Павлова условные рефлексы были связаны с получением биологически полезного результата и включались в формируемое у человека или животных «целесообразное» , поведение [6]. Н. В. Целковой были получены результаты, которые, казалось бы, противоречили этому основному принципу. Вспомогательные системы рефлексов не имели в качестве подкрепления [7] какого-либо безусловного раздражителя. Основной функцией систем рефлексов нового типа не являлось получение полезного результата в форме удовлетворения какой-либо биологической потребности [8]. Системы рефлексов формировались на основе других принципов и обеспечивали только создание основы для построения информационных -механизмов.

Было обнаружено и другое интересное явление. Оказалось, что такие вспомогательные системы рефлексов включали незаполненные участки, т. е. участки, в которых отсутствовали конкретные раздражители [9]. Этот факт на первых этапах рассмотрения результатов опытов вызывал недоумение. Основные принципы выработки условных рефлексов, разработанные И. П. Павловым и его учениками, предусматривали осуществление реакции животного на определенный раздражитель (например, звонок). В данном случае вырабатывалась структура, которая не содержала конкретных сигналов, а отражала только отношения между ними, типа взаимного дополнения или взаимного исключения компонентов. Вместе с тем такой путь выработки условных рефлексов имен очень большое значение при формировании поведения в сложных условиях внешней среды. Как уже говорилось, эксперименты показали, что в таких ситуациях выработка отдельных условных рефлексов оказывалась принципиально невозможной, так как человек закрывал себе пути поиска, все время изменяя внешнюю среду. В этих условиях трудности преодолевались за счет того, что первоначально имело место установление характера отношений, т. е. осуществлялась выработка системы с пустыми, незаполненными участками и таким образом определялись те места в структуре, на которых должны формироваться новые рефлекторные реакции. Затем вырабатывались условные рефлексы, включающие конкретные сигналы. Такой путь выработки обеспечивал возможности преодоления трудностей.

Большое значение имело также формирование при работе мозга новых сигналов со специальными функциями. Мы уже говорили о выработке системы подкрепляющих раздражителей. Такие раздражители играют существенную роль при формировании новых систем условных рефлексов. Их формирование и использование определяется комплексом правил (алгоритмами).

В работах П. К- Анохина была выявлена специфическая роль сигналов другого типа — акцепторов результата действия. Эксперименты показали, что в процессе работы мозга у испытуемых формировались сигналы новых типов: так называемые «сторожевые сигналы», позволяющие избегать попадания в тупиковые ситуации; «опорные сигналы», играющие специфическую роль при выделении подсистем информационной деятельности; сигналы, обеспечивающие процесс управления при формировании новых систем условных рефлексов, и др. Были описаны алгоритмы, которые определяли формирование таких сигналов, и правила, регламентирующие процесс их использования.

Изменилась система представлений о системе отношений между врожденными (передаваемыми по наследству) и вновь вырабатываемыми в процессе жизни системами рефлексов. Было экспериментально доказано, что человек использует уже имеющиеся у него врожденные так называемые «эталонные системы рефлексов», не включающие конкретных раздражителей и отражающие только различные типы отношений между сигналами, например отношения взаимного исключения, взаимного дополнения или взаимозаменяемости элементов.

При осуществлении процесса формирования поведения человек анализирует внешнюю среду, оказывает на изучаемые объекты различные воздействия и, получая в результате информацию, по специальным тестам определяет применимость тех или иных имеющихся моделей эталонных структур (отражающих системы отношений). Затем он осуществляет специальные пробные действия, которые приводят к доказательству эффективности используемой целостной модели или комплекса моделей. Таким образом формируется новая структура вспомогательных систем условных рефлексов, которая в процессе работы мозга последовательно заполняется теми или иными сигналами.

Полученные выводы подтвердили созданную ранее концепцию Л. В. Крушинского о природе «унитарных» реакций как систем, объединяющий условные и безусловные рефлексы. Стало очевидным, что по наследству передаются структуры безусловных рефлексов типа «специфических матриц», которые отражают типы отношений и не включают конкретных сигналов. Эти матрицы определяют позиции, на которых затем формируются условные рефлексы.

Таким образом, был выявлен ряд новых компонентов, определяющих высшую’ нервную деятельность: а) различные типы вспомогательных систем условных рефлексов, б) эталонные врожденные системы рефлексов, в) различные типы «определяющих» сигналов, которые несут специальные функции, и конструкций, состоящих из таких сигналов.

Перечисленные выше компоненты составляли основу целостных информационных организаций. Было показано, что определенные формы объединения вспомогательных систем рефлексов, определяющих сигналов, эталонных систем рефлексов приводили к формированию новых информационных задач, на основе которых осуществлялось формирование и функционирование вторичных алгоритмов. В целом возникала организация информационных механизмов, в которых алгоритмы играли только роль одного из компонентов.

Полученные результаты внесли существенные коррективы в созданные системы представлений. Раньше мы говорили о правилах работы мозга, об алгоритмах. Теперь выяснилось, что работа алгоритмов осуществляется на основе функционирования определенной структурной организации: вспомогательных систем условных рефлексов и определяющих сигналов со специальными функциями. Такая организация имела чисто информационный характер. Возникла необходимость рассмотрения особой категории «информационных структур».

Этот вывод сначала показался неожиданным. Исследователи привыкли говорить о структуре в области физиологии, физики, химии. В этом случае ученые имели дело с некоторой реальной субстанцией, например организацией нервных клеток. Информационные структуры имели существенные отличия. Они также были основой возникновения реально ощутимых явлений, таких как способность к обучению, решению проблем и др. В то же время такие организации не проявились при исследовании непосредственно. Их функционирование всегда должно было быть реализовано на некотором физико-химическом субстрате. Создавалась видимость того, что изучение этих систем могло быть достигнуто на основе использования методических приемов, разработанных в области физики и химии.

Однако при таком подходе информационные структуры неожиданно для исследователей исчезали из поля зрения [10]. Организация информационных структур не совпадала с организацией реализующего их деятельность субстрата. Информационные структуры сохраняли постоянство своей организации при переходе с одного субстрата на другой и таким образом оказывались инвариантными по отношению к своим носителям. Вместе с тем в проведенных исследованиях было показано, что по сложности своей организации информационные структуры не уступали физическим и химическим системам. Одно из наиболее ярких проявлений сложности — многоуровневость и целостность организации информационных систем.

При изучении физико-химических систем, как известно, были выделены следующие уровни: структуры атомов, молекул, сложных химических соединений, объединяющих большое количество атомов, целостных систем (пищеварения, дыхания и др.). Была выявлена достаточно сложная картина взаимоотношений между функционированием отдельных уровней. Это создавало существенные трудности в исследовании. Известно, например, какая сложная и длительная работа была проведена исследователями, прежде чем оказалось возможным расшифровать организацию структуры атома или молекул сложных химических соединений.

В наши дни стало очевидным, что подобная многоуровневая организация существует и в мире информационных систем. На каждом из уровней возникают новые в качественном отношении явления. Вместе с тем структуры каждого более низкого уровня служат компонентами при построении системы более высокого уровня. Такой принцип организаций можно условно определить как атомно-молекулярный принцип. При изучении этих сложных систем путем проведения экспериментов, как правило, не удается проникнуть в тайны строения промежуточных уровней организации. Они остаются вне поля зрения исследователя. Описанные выше методики раскрытия алгоритмов в этом случае также не могли оказаться полностью результативными.

Вновь перед учеными возникла проблема, как же проникнуть в тайны работы мозга. Каким образом, идя от рассмотрения простых элементов и тех организаций, которые возникают при их объединении в системы, выяснить структуру целостных блоков и законов их взаимодействия? Другими словами, как перейти от анализа «атомов» к пониманию строения «молекул» информационной деятельности? Каким образом проследить весь путь, идущий от определения элементов к формированию блоков, к анализу их свойств, правил взаимодействия и в конечном счете к пониманию того, что же такое интеллектуальная деятельность человека? Видимо, для решения этой проблемы было недостаточно использования одних только экспериментальных методов. Что же тогда необходимо?

Чтобы ответить на эти вопросы, ученые обратились к истории науки. Видимо, химия впервые столкнулась с существованием сложных систем, построенных по атомно-молекулярному принципу. Прошел целый ряд столетий, прежде чем из алхимии сформировалась и выкристаллизовалась современная научная химия. Существенную роль в ее построении играет символический язык описания структуры молекул сложных веществ и формул, отражающих законы их преобразования. Для чего служит такая система? Для нас такая форма представления настолько естественна, что мы не задумываемся над ее смыслом. Однако такой вопрос приобретает значение в связи с проблемой изучения информационных систем. Поэтому мы попытаемся на него ответить. Без использования символического языка описания было бы трудно представить целостные системы процессов и имело бы место неорганизованное нагромождение экспериментальных фактов. Невозможно было бы формулировать общие законы, понять, как из атомов возникает структура молекул, изучить свойства целостных химических систем, законы взаимодействия веществ. Только на основе использования такого языка можно понять целостные процессы, лежащие в основе синтеза белков, жиров. Формулы используются для того, чтобы построить целостные гипотезы и поставить эксперименты для их подтверждения. Результаты экспериментов интерпретируются и получают свое обоснование также на языке формул.

Символические описания — одна из основ развития химии и биохимии. Это очевидно. Если попытаться представить себе современную науку без средств символического описания, то все стройное здание современной химии и биохимии распадется.

Другая существенная предпосылка развития науки — использование метода анализа и синтеза. Чтобы понять организацию систем различного уровня, оказалось необходимым искусственно создавать их из элементов. В процессе синтеза удавалось выявить основные законы взаимодействия компонентов и отразить их в символическом виде (типа систем формул и уравнений).

Ученые, изучающие информационные процессы, пришли к выводу, что и при исследовании мозга необходимы такая же совершенная система символического представления организации информационных структур и такие же эффективные методики анализа и синтеза, как и в химии. Как же создать такую систему? Проблема символического описания правил работы мозга была достигнута на основе использования формальной записи алгоритмов. Однако эксперименты показали, что алгоритм — это только одна из составных частей работы информационных механизмов, другая составная часть — это вспомогательные системы условных рефлексов, определяющие сигналы, т. е. информационная структура, на которой возникают задачи, определяющие работу алгоритмов. Значит необходимо иметь средства, позволяющие, исключив из рассмотрения частные случаи организации систем рефлексов, создать такую абстрактную систему, которая позволила бы выявить и описать общие законы построения и взаимодействие систем этого типа, понять, как из них образуются более сложные блоки, как их организация порождает новые задачи, а на их основе формируются алгоритмы.

Рассмотрим, каким образом можно решить эту проблему. Известно, что построение абстрактных систем стало основой развития математики [11]. При этом имело место выделение элементов, например в случае построения геометрии — точки, линии. Далее из таких элементов строились более сложные конструкции, в которых обнаруживались новые в качественном отношении явления, закономерности. Каждый отдел этой области науки абстрагирует определенный тип отношений, объективно существующий в окружающей действительности.

В результате осуществления процесса интуитивного творчества выдающимися мыслителями на основании анализа действительности (сотен примеров решения частных задач) выделялся тот или иной тип отношений внешнего мира и формулировались исходные абстрактные понятия типа «число», «высказывание», «множество», «вероятность» и др. Эти понятия обычно формально не определялись. Они вводились на основе демонстрации ряда примеров. Однако они определяли выбор типа отношений и в дальнейшем становились основой построения формальной системы.

Математику как науку до сих пор не интересовал описанный выше процесс становления и первых этапов развития формальных систем, связанных с взаимодействием человека-исследователя с внешним миром. Ее развитие начиналось только после того как в результате интуитивного мышления ученых основные абстракции были сформулированы. Возник вопрос, можно ли при изучении мышления использовать такие же пути построения теории. На этот

вопрос был дан отрицательный ответ. Подобный путь рассмотрения явлений не мог создать предпосылки для изучения высшей нервной деятельности, для выбора элементов, определяющих построение абстрактной системы. Для работы мозга характерен процесс взаимодействия с внешним миром, процесс выявления новых систем отношений, а эти процессы не рассматривались в области математики.

Если бы исследователи попытались использовать элементы, положенные в основу формирования какого-либо одного из отделов Математики, то они сузили бы область рассмотрения и потеряли бы возможность анализировать процесс интеллектуальной деятельности, приводящий, в частности, к развитию многих отделов формальной теории. Очевидно, что любые попытки построения абстрактной системы, полезной при изучении работы мозга, должны были быть связаны с рассмотрением процессов взаимодействия организма и внешней среды.

Мы уже говорили о том, что предпосылки’ для решения этой проблемы созданы И. П. Павловым. Великий физиолог исключил из рассмотрения конкретные свойства объектов, используемых в зоопсихологических экспериментах (в экспериментах на обезьянах ящики, палки и др.). Он построил исследование на основе изучения соотношения сигналов, не имеющих смысловой нагрузки, например, соотношения между условным сигналом и подкреплением. Таким образом исключалось маскирующее влияние частных ситуаций и обеспечивалось выявление общих закономерностей информационной деятельности. Такая абстракция позволяла выявлять правила работы мозга. Однако она была недостаточна для решения поставленной проблемы изучения организации информационных механизмов.

При описании вспомогательных систем рефлексов, составляющих основу работы алгоритмов и построения механизмов работы мозга, решающее значение имели не только и не столько сами сигналы, сколько отношения между ними (отношения взаимного дополнения или взаимного исключения элементов). Вместе с тем для каждого из рассмотренных нами выше информационных механизмов, например механизма формирования новых подкрепляющих сигналов, механизма выделения частей, предотвращения выхода в тупиковые ситуации и других, была характерна своя собственная специфическая система организации отношений между сигналами. Каждая такая система имела свои особенности, которые не позволяли изучать общие свойства и законы функционирования систем. Каждый механизм приходилось выявлять и изучать самостоятельно. Для того чтобы обнаружить общие законы, нужно было, по-видимому, абстрагироваться не только от значения сигналов, но и от рассмотрения тех или иных частных схем механизмов, составляющих их основу отношений, и построить систему более общего типа. Было важно «посмотреть» на всю организацию информационных систем как бы «сверху» и вывести изучаемые явления как следствия из общей теории.

Интересный путь решения этой проблемы был найден в 1973 г. Н. В. Целковой. Она предложила абстрагироваться не только от конкретного значения сигналов, но и от специфики тех связей между ними, которые определяли особенности построения различных информационных механизмов.

Мы уже говорили, что свойства выявляемых алгоритмов зависели от структурной схемы эксперимента, от специфики вспомогательных систем рефлексов. Новая идеализация приводила к исключению возможности изучения и описания отдельных алгоритмов и информационных механизмов работы мозга. В чем же ее смысл? Подобные вопросы невольно возникали у физиологов при первом знакомстве с предложенной системой. Данные о конкретной структуре систем рефлексов и информационных механизмов были получены в результате длительного экспериментального поиска. Мы говорили, например, о выявлении принципов организации и работы отдельных алгоритмов, о роли подкрепляющих и сторожевых сигналов и т. д. При создании абстракции нового типа все эти явления исключались из рассмотрения. Создавалось впечатление [12], все исследование теряет смысл. Ведь именно их конкретное содержание и составляло основу анализа работы мозга! Если исключить из рассмотрения эти явления, то что же останется?

Однако возникали и контраргументы: построение каждой абстрактной системы более высокого уровня, конечно, исключает возможность рассмотрения той или иной категории процессов, но абстракция одновременно обеспечивает выявление другой, более общей системы законов, которая ранее была скрыта в результате маскирующего влияния более частных закономерностей.

Какие же соображения были положены в основу построения абстракции нового типа? Решает ли она задачу выявления новых законов? Вернемся к рассмотрению изложенных ранее представлений о вспомогательных системах условных рефлексов, создающих основу для работы алгоритмов и целостных механизмов. Было обращено внимание на то, что они включают одни ни те же компоненты: рефлекс [13] на комплексный раздражитель, условный тормоз, структуру типа цепочки. Все эти компоненты отражают процесс взаимодействия организма с внешним миром. В то же время они включают и основные системы отношений между сигналами: отношения взаимного дополнения, взаимного исключения и взаимозаменяемости компонентов.

Основная идея построения новой абстракции была в достаточной степени проста. Были описаны эти компоненты и начато осуществление процесса теоретического синтеза — объединение компонентов в более сложные конструкции. В процессе синтеза изучались те новые в качественном отношении явления, которые возникали в таких конструкциях. Была разработана их классификация и изучены свойства систем каждого из классов. Такое теоретическое рассмотрение и построение новых конструкций осуществлялось в тесной взаимосвязи с проведением экспериментов, направленных на изучение конкретных Информационных механизмов. Преимущество этого подхода заключалось в том, что оказалось возможным теоретически рассмотреть разные формы информационной деятельности, дать анализ работы сложных целостных систем, построить эффективные гипотезы для проведения новых экспериментов. Тем самым были созданы предпосылки для преодоления описанных выше трудностей, возникающих при изучении многоуровневых систем, построенных по «атомно-молекулярному» принципу. Сочетая разработку теоретических схем с проведением экспериментов, оказалось возможным успешно переходить от изучения одного уровня системы к другому (от анализа атомов и структуры молекул) и таким образом получить возможность выявления принципов организации тех отделов системы, которые ранее оставались недоступными при использовании одних только экспериментальных методик.

Рассмотренный нами выше путь выбора элементов, тесно связанный с развитием учения И. П. Павлова, обеспечил преодоление ограничений, свойственних математике. Он базировался на основных положениях диалектического материализма о наличии причинно-следственных отношений и на теории отражения как основы информационной деятельности.

Возник вопрос: удастся ли использовать вновь созданную абстрактную систему так же эффективно, как это имело место ранее в области развития химии? Если бы удалось выявить общие законы и явления, определяющие функционирование любых информационных систем работы мозга, то поставленные цели исследования можно было бы считать достигнутыми. Тогда оказалось бы оправданным исключение из рассмотрения конкретных свойств систем рефлексов. В противном случае попытка была бы оценена как одна из ошибок в исследовании.

Поясним на хорошо известном всем примере развития и применения геометрии, что можно ожидать от использования абстрактной системы. Нам кажется привычным, что при рассмотрении формы предметов используются такие понятия, как линия, точка, квадрат, куб, прямоугольник. Однако до тех пор, пока эти идеальные объекты не были определены в области абстрактной теории — геометрии, решить вопросы, связанные с анализом формы предметов, например расчета площадей, было весьма трудно. Теперь, когда в рамках общей теории были сформулированы законы, описаны новые явления, возникающие в сложных системах, положение изменилось. В том случае, когда перед человеком возникают новые проблемы (например, связанные с анализом фермы предметов), достаточно описать реальные объекты и явления внешнего мира, новые задачи на языке абстрактной теории, в частности опознать в них наличие квадрата, куба, треугольника, шара.

Поскольку в области теории уже определены привила, законы, то установление соответствия между реальными объектами исследования и идеальными конструкциями приводит к возможности выявления новых свойств рассматриваемых объектов реального мира и решения относящихся к ним задач, в частности задачи расчета площадей, объемов. На идеальных моделях возможно проведение теоретического рассмотрения принципов организации более сложных систем, установление возникающих в них новых явлений, доказательство теорем. Теория обеспечивает возможность анализа работы сложных систем.

Можно ли рассчитывать на то, что абстракция, используемая при изучении информационных процессов работы мозга, приведет к подобным результатам? Удастся ли на основе представления реальных процессов на абстрактном языке теоретически вывести свойства более сложных информационных систем, а затем обнаружить их существование в реальных явлениях внешнего мира? Можно ли найти законы и описать новые свойства, которые имеют общее, универсальное значение? Удастся ли анализировать новые сложные формы информационной деятельности на основе обнаружения в них уже известных конструкций и описания объекта на языке теории? Окажется ли возможным на основе ранее уже установленных правил и законов, типов конструкций и законов их взаимодействия обнаружить в исследуемом объекте то, что не удавалось выявить ранее, или такая сложная система, как мозг человека, отличается от всего, что до сих пор знала наука?

Ответы на эти вопросы на первых этапах исследования не были однозначными. С одной стороны, были получены положительные результаты в изучении новых механизмов, с другой — не удалось решить задачи полной расшифровки механизмов сложных форм работы мозга, таких, например, как способность к самостоятельной постановке задач, к формированию новых алгоритмов.

Анализ возникающих трудностей привел Н. В. Целкову к выводу о необходимости построения абстрактной системы еще более высокого уровня. Мы говорили выше, о том, что идеализация первой категории привела к рассмотрению абстрактных информационных структур различных видов. Было высказано предположение о возможности и целесообразности исключить из рассмотрения конкретную организацию таких структур. Был введен символ  , который обозначает структуру любого вида, и определены операции над такими символами. Операция в частности, означает процесс «порождения» структурой более высокого уровня абстракции множества конструкций  более низкого уровня. Символы  означают уровни

структуры. Символпозволяет отличить одну структуру от другой. Примеров таких операций можно привести очень много. Так, любой закон в области физики может быть по-разному интерпретирован при создании различных конкретных приборов, математическая формула может быть применена для различных конкретных расчетов и т. д. Все эти примеры кажутся непохожими друг на друга. При изучении мышления было важно исключить из рассмотрения специфику частных примеров и иметь возможность изучать «порождения новых частных интерпретаций» как таковое.

Операция заполнения одной из информационных структур пустых мест (локусов), включенных в другую структуру, обозначается  Можно привести много примеров для иллюстрации этой системы отношений. Так, при решении математических задач имеет место подстановка конкретных чисел в формулу. При построении новой абстрактной системы II категории из таких отношений строятся композиции. Например, была сформулирована структура II категории следующего типа: из двух структур более высокого уровня строятся такие частные интерпретации которые не имеют противоречивых участков и в наибольшей степени удовлетворяют заданным критериям Такие комплексные системы отношений определялись формулой

[14]

Важно подчеркнуть, что поскольку символозначал любую из информационных структур I категории, то все выводы, сделанные на основании рассмотрения таких схем II категории, приобретали общее значение. Они должны были оказаться справедливыми при изучении любых алгоритмов и информационных механизмов.

При рассмотрении описываемых структур II категории возникал вопрос, удастся ли при их изучении выявить какие-либо существенные новые свойства и закономерности. Мы видели, что такие абстрактные системы исключали возможность рассмотрения алгоритмов и информационных механизмов и оказывались непригодными для решения многих актуальных проблем. В то же время, если бы удалось обнаружить в таких конструкциях новые в качественном отношении явления и законы, можно было бы вывести многие частные закономерности. Потеряв в области рассмотрения отдельных алгоритмов, исследователи приобрели бы возможность решать другую, не менее важную проблему раскрытия механизмов создания новых алгоритмов и информационных механизмов при работе мозга.

Дальнейшие исследования подтвердили справедливость этих прогнозов. Использование абстракции II категории открыло возможности для анализа сложных механизмов интеллектуальной деятельности человека. Удалось подойти к решению таких основополагающих проблем, как проблема анализа способности человека к самостоятельному формулированию задач и к созданию новых алгоритмов их решения. При этом выяснилось, что абстрактные языки обоих описанных выше категорий — это не только средство для изучения работы мозга. Было доказано, что описанные информационные структуры и законы их преобразования используются мозгом человека в процессе его деятельности. Именно они определяют способности к интуитивному творческому мышлению, в частности к разработке новых отделов математики. Человек располагает структурами двух описанных категорий и использует в процессе Мышления специальные механизмы их преобразования. При восприятии и анализе сложных ситуации, складывающихся во внешней среде, имеет место опознавание и последующее доказательство применимости таких структур. На этой основе осуществляется переход от восприятия конкретной информации к постановке задач и их решению на абстрактном уровне. Результаты затем представляются вновь в конкретном виде.

В результате использования описанной абстрактной системы была выявлена сложная организация механизмов, ответственных за такие явления, как восприятие информации, формирование новых мотивов поведения, изменение поведения при возникновении эмоций [15] и ряде других явлений, определяющих работу мозга. Эти данные оказались важными для расшифровки организации целостных морфофизиологических систем работы мозга.

Были созданы предпосылки для нового пути исследования, основанного на построении целостных теоретических гипотез и их экспериментальной проверке. В связи с этим открывались возможности рассмотрения целостных функциональных систем на различных уровнях организации экспериментов.

Такой подход к решению проблем может показаться неожиданным. Мы привыкли думать о физиологии как о науке экспериментальной. Однако поставим вопрос иначе. Можно ли было надеяться, ,что при изучении механизмов такой сложной системы, как мозг, удастся ограничиться использованием только одних экспериментальных методик исследования? Опыт [16] развития других областей науки заставляет усомниться в этом. Еще в XV в. Николай Коперник ввел в науку новый принцип, сущность которого заключалось в том, что не всякое кажущееся, видимое движение действительно и не всякое действительное движение заметно, ощутимо.

В науке самый точный эксперимент может привести к ложным выводам. Так, любая самая точная экспериментальная методика может только подтвердить ошибочное заключение о том, что Солнце вращается вокруг Земли, Только путем построения целостной абстрактной модели можно было доказать обратное. Вспомним в этой связи о дискуссии, которая была описана И. С. Тургеневым в его романе «Рудин». Один из героев романа Пигасов утверждал, что истиной можно считать только то, что человек видит, в чем он может непосредственно убедиться. Если бы все люди думали так, возражал ему Рудин, то до сих пор не была бы создана гелиоцентрическая теория организации солнечной системы.

Роль абстракции не вызывает сомнения там, где наука уже совершила восхождение на новые вершины. Но в то же время, когда ставится вопрос о создании абстракции в какой-то новой области науки, то это часто кажется неестественным. Психологу трудно представить себе, что можно изучать мышление, абстрагируясь от таких понятий, как «подумал», «решил». Как можно организовать исследование, не используя экспериментальные методики, основанные на изучении конкретной деятельности человека?

Ученые, работающие в области медицины и отдающие все свои силы тому, чтобы понять причины болезней и найти способы их лечения, иногда с трудом могут представить себе, как можно изучать развитие гипертонической болезни, не используя таких понятий, как «кровяное давление», «изменение стенок сосуда склеротического типа» и т. д. Абстрагируясь от них, исследователь как будто уходит от реальной науки в область беспредметных общих рассуждений. Казалось бы, при анализе заболевания ничем нельзя пренебрегать, ни от чего нельзя отказаться, все детали очень важны.

Между тем, если взглянуть на вещи с более общих позиций развития методологии науки, то такой новый этап развития может быть оценен как вполне закономерное явление. Все области науки проходили стадию экспериментального исследования и стадию построения абстрактной теории. Проведенные исследования подтвердили то, что можно было ожидать и раньше, а именно что и при изучении мозга как сложного явления природы, как системы, возникшей в процессе эволюции, также возникнет проблема построения абстрактной теории.

Все перечисленные выше предпосылки привели к возможности построения эффективных методических приемов изучения работы мозга, которые обеспечивали создание единства в исследовании структуры и функции. Функции работы мозга непосредственно связаны с переработкой информации. Поэтому новые подходы предусматривали анализ работы информационных механизмов. Исследование начиналось с определения тех основных задач, решение которых составляло основу работы мозга. Выше мы уже говорили о путях их выявления.

Далее создавались целостные схемы, отражающие работу информационных механизмов. На этой основе осуществлялся анализ всех получаемых в эксперименте фактов, устанавливалась их роль в целостной системе и планировались новые эксперименты с целью доказательства правильности сделанных предположений о наличии ранее неизвестных компонентов системы. После того как оказывались выявленными основные информационные механизмы, открывались возможности для анализа сложных комплексных систем, например процесса проектирования, административной деятельности, конструирования. В этом случае выявлялась скрытая информационная основа этих явлений. Известно, что процесс проектирования промышленных зданий, культурных объектов представляет собой реализацию комплекса методических приемов, которые приобретаются специалистами в процессе их обучения в вузах. Однако наряду с этим большое значение имеет и использование более общих механизмов интеллектуальной деятельности, например проектирования.

Было показано, что основу этой деятельности составляет целый ряд информационных механизмов, в частности механизмы принятия решений при наличии противоречивых ситуаций, механизмы выделения автономных подсистем информационной деятельности, механизмы предотвращения захода в тупиковые .ситуации, механизмы перехода от чувственного восприятия информации к постановке абстрактных задач и др. Алгоритмы, являющиеся компонентами этих механизмов, были ранее изучены в результате проведения аналитических экспериментов.

При изучении процесса проектирования были построены композиции из этих алгоритмов и таким образом была создана система представлений о сущности информационных задач и алгоритмов, составляющих основу этого вида интеллектуальной деятельности. Фактически была создана абстрактная теория проектирования. Эта теория используется при решении практических задач.

В настоящее время, когда создаются автоматизированные системы проектирования (САПР), встает задача организации тесного взаимодействия человека с вычислительной машиной. На первых этапах оказалось возможным воспроизвести в виде программ для вычислительных машин частные профессиональные навыки. Были использованы также математические методы расчета. Например, на основе опроса экспертов-проектировщиков создавалась система оценки различных вариантов проекта, а затем специальные программы, реализуемые на вычислительных машинах, осуществляли количественные расчеты, приводящие к выбору оптимального варианта. Такие методы приносили большую пользу.

Однако в то же время возникали и определенные сомнения. Дело в том, что современный процесс проектирования — это работа большого коллектива специалистов, осуществляющих творческую деятельность. Использование вычислительной техники приводило не только к возможности более точных расчетов, но и к существенному изменению всей организации работы. Исключались или существенным образом видоизменялись методы и процедуры решения и многие стадии интеллектуальной деятельности.

Возникал вопрос, не приведет ли это к снижению эффективности процесса проектирования, к тому, что будут упущены некоторые реальные возможности оптимизации проектных решений. Эти проблемы в настоящее время широко обсуждаются специалистами. Вывод, к которому обычно приходят участники дискуссий, заключается в необходимости построения абстрактной теории проектирования, в рамках которой могла бы быть определена значимость всех’ отдельных интеллектуальных операций.

Такая теория должна создать надежную основу для решения вопроса о том, какие именно компоненты целостного процесса следует передать вычислительным машинам и как организовать их взаимодействие с человеком. Описанные выше методы исследования, обеспечивающие возможность анализа сложных форм интеллектуальной деятельности человека, оказались полезными при решении этих проблем. Специалисты в области автоматизации процесса проектирования совместно со специалистами-физиологами осуществили большую работу, которая привела к решению многих спорных вопросов и позволила организовать новые формы взаимодействия человека с вычислительной машиной.

Новые возможности возникли и для развития медицины. Ученые пришли к выводу о том, что сложность организации информационных механизмов и их свойства, связанные с «порождением» новых систем, изменением формы существования этих механизмов, создают потенциальную опасность для человека. Если в таких системах в результате неправильной оценки значимости сигнала, поступившего из внешнего мира, ошибочного использования алгоритма или сбоя в работе какого-либо элемента управляющей системы произойдут нарушения, то их последствия могут быть очень серьезными. Может начаться целый цикл вторичных процессов, возникнут новые алгоритмы и новые ненормальные, вредные для организма системы управления работой печени, сердца и других органов. .

Такие изменения могут внешне не проявляться. В этом случае можно будет обнаружить только отдельные симптомы, проявляющиеся в виде изменения кровяного давления, уровня сахара в крови, возникновения инфаркта миокарда и других болезней. Истинная причина болезни окажется при этом замаскирована частными проявлениями. Врач, тщательно исследующий работу отдельных органов, проникающий в тайны биохимических систем, составляющих основы их деятельности, окажется бессильным в распознании истинных причин болезней.

Для того чтобы понять механизмы появления болезни, ученые расчленяют сложные объекты на части, но когда они, казалось бы, достигают возможности рассмотрения таких элементарных процессов, которые не допускают дальнейшего расчленения, оказывается, что они не приблизились к разгадке причины болезни. Чем детальнее исследователь изучает отдельные элементы системы, тем дальше он оказывается от раскрытия информационных механизмов. Они существуют в целостных системах и в то же время не могут быть обнаружены при простом. экспериментальном анализе, основанном на изучении частей.

Поясним эту мысль на примере. Чтобы выявить причины некоторых заболеваний, необходимо исследовать роль различных отделов центральной нерв–ной системы в регуляции работы сердца. Как известно, раздражение блуждающего нерва приводит к замедлению ритма его сокращений. Ученые проводили аналитические эксперименты, в ходе которых путем использования специальных приборов осуществлялось раздражение одного из отделов мозга — гипоталамуса. Эксперименты по изучению изменения реакции сердца, вызванного раздражением блуждающего нерва, привели к интересному, но противоречивому результату. Оказалось, что активность гипоталамуса может в одних случаях подавлять, а в других — усиливать эффект, вызванный раздражением блуждающего ‘нерва, т. е. оказывать и тормозное, и возбуждающее действие. Для того чтобы получить более однозначные результаты, исследователи предприняли попытки расчленить систему на части, изучить ее более детально. Проводилось раздражение или перерезка различных отделов центральной нервной системы, но этот путь не привел к успеху.

В основе управления работой сердца лежит сложная целостная информационная система. Ее нельзя раскрыть путем проведения одних только аналитических экспериментов. Чем дальше ученые идут по пути разделения морфофизиологической структуры на части и их детального изучения, тем более удаляются они от раскрытия истинных информационных механизмов. Исследованиями В. В. Аристовой и Ю. А. Аристова подтвердилась актуальность изучения патологических систем управления. С помощью теоретических схем были созданы гипотезы о возможных патологических информационных механизмах. Такие схемы предусматривали возникновение патологически замкнутых циклов, в которых одна из информационных систем приводила к возникновению сигналов, активизирующих работу информационных механизмов. Последние, в свою очередь, оказывали стимулирующее воздействие, связанное с формированием новых активирующих сигналов. На основании этой схемы была создана модель экспериментальной ситуации, которая должна была в опытах на собаках привести к развитию стойкой гипертензии. Эксперименты подтвердили справедливость созданной гипотезы. У всех подопытных животных начался рост кровяного давления. Теоретический анализ тех же схем позволил разработать тактики лечения. Таким образом, изучение информационных механизмов приводит не только к познанию работы мозга, построению искусственного интеллекта, но и к решению практически важных проблем.


Сайт-источник BrainTools: https://www.braintools.ru

Путь до страницы источника: https://www.braintools.ru/article/3062

URLs in this post:

[1] рефлексов: http://www.braintools.ru/article/8998

[2] памяти: http://www.braintools.ru/article/4140

[3] выработки: http://www.braintools.ru/article/5568

[4] поведения: http://www.braintools.ru/article/9372

[5] высшую нервную деятельность: http://www.braintools.ru/article/8992

[6] поведение: http://www.braintools.ru/article/5593

[7] подкрепления: http://www.braintools.ru/article/5528

[8] потребности: http://www.braintools.ru/article/9534

[9] раздражители: http://www.braintools.ru/article/9158

[10] поля зрения: http://www.braintools.ru/article/9711

[11] математики: http://www.braintools.ru/article/7620

[12] впечатление: http://www.braintools.ru/article/2012

[13] рефлекс: http://www.braintools.ru/article/9352

[14] Image: http://www.braintools.ru/wp-content/uploads/2011/01/formula.png

[15] эмоций: http://www.braintools.ru/article/9540

[16] Опыт: http://www.braintools.ru/article/6952

www.BrainTools.ru

Rambler's Top100