Относится к сборнику статей телеграм-канала https://t.me/thinking_cycles
Проблема обеспечения точности реагирования
Даже если мы многократно повторяем одно и то же движение, каждый раз оно может отличаться из-за множества факторов, таких как физическое состояние организма, окружающая среда, контекст выполнения, некоторые отличия стимула, вызывающего движение, отличие ситуации и некоторая вариация целей движения.
Например, спортсмен, выполняющий прыжок с парашюта, каждый раз учитывает состояние своего тела, высоту, с которой он прыгает, а также свое эмоциональное состояние и уровень усталости.
При возникновении моторной реакции в мозге активируются определенные наборы нейронов, которые формируют связанные ансамбли. Эти ансамбли синхронизируются в ответ на специфические стимулы и позволяют организовывать согласованные действия. Например, когда мы собираемся сделать шаг, активируются нейроны, связанные с изгибом мышц ног, поддержкой тела, а также с балансом и координацией. Эти нейронные ансамбли работают вместе, чтобы обеспечить плавное и слаженное движение.
Получается, что каждое движение уникально, потому что оно является результатом сложной интеграции всех этих факторов. Эта уникальность проявляется всегда, когда мы адаптируем свои движения под изменяющиеся обстоятельства — например, когда мы ловим мяч или пытаемся удержать равновесие на неудобной поверхности.
Это породило теорию функционального ансамбля темперамента, по которой каждое движение создается заново. Эта теория отрицает, что существует некая уже заготовленная основа движений. Ключевая идея заключается в том, что организм постоянно адаптируется к изменениям внешней и внутренней среды, создавая новые комбинации нервных и мышечных активностей для достижения поставленных целей. В этом смысле теория функционального ансамбля противопоставляется классическим представлениям о том, что движения основаны на фиксированных программах действий, которые просто воспроизводятся в ответ на стимулы.
Теоретически, функциональные ансамбли мозговых структур обеспечивают не только непосредственные моторные реакции, но и поддерживают когнитивную деятельность, позволяя обрабатывать информацию о ситуации, принимать решения и предсказывать последствия действий.
Но возникает некоторое противоречие: а) движения и в самом деле получаются различными и это различие не объяснить неточностью действий, даже очень точные действия совершаются несколько по-разному; б) в мозге реально существует набор пусковых моторных реакций, вызывающих цепочку согласованных действий.
Таким образом, моторные программы и функциональные ансамбли взаимодействуют, образуя комплексную систему контроля за поведением.
Это означает, что теория функционального ансамбля и концепция пусковых моторных реакций не противоречат друг другу, а дополняют. И это значит, что всякий раз движение создается не заново, а, использует уже имеющиеся заготовки программ действия, дополняя их необходимыми корректирующими реакциями. Конечно же, движение не создается заново на уровне определения активности каждого мышечного волокна.
Даже если внешние условия меняются, мозг может активировать уже готовые моторные программы, оптимизированные за годы обучения и практики.
Пусковые моторные реакции – это автоматические, стереотипные ответы на определенные стимулы. Примером простейшей такой реакции может служить рефлекс коленного сустава, когда удар молоточком по колену вызывает быстрое сокращение мышцы бедра. Такие реакции часто рассматриваются как "заготовленные" программы, хранящиеся в мозге и запускаемые при необходимости. На уровне психики возможно формировать сколь угодно более сложные программы действий при отработке движений, которые должны достигать поставленной цели.
Пусковые моторные реакции обеспечивают быстрый и эффективный отклик на стандартные стимулы. Когда ситуация становится более сложной или требует адаптации, включается механизм осознанного формирования корректирующего функционального ансамбля. В этом процессе задействованы высшие уровни обработки информации, которые интегрируют сенсорную информацию, память и опыт для создания наиболее подходящего ответа (fornit.ru/68364).
Готовые схемы движений могут подвергаться модификации в зависимости от контекста. Например, при ходьбе по ровной поверхности используются одни паттерны активности, тогда как при ходьбе по неровной местности эти паттерны будут адаптированы для обеспечения устойчивости и безопасности.
Представьте себе ситуацию, когда вы учитесь играть на пианино. Сначала вам нужно освоить базовые аккорды и мелодии, которые можно рассматривать как "готовые программы". Но со временем, по мере улучшения ваших навыков, вы начинаете импровизировать, комбинировать известные элементы и создавать новые музыкальные произведения. Это аналогично тому, как работает функциональный ансамбль: базовая информация служит основой, но конечный результат всегда уникален и зависит от множества факторов.
Модель взаимодействия общих принципов организации движения
Важно определить модель взаимосвязей наиболее общих принципов формирования, использования и координации движений в системе произвольности адаптивных схем реагирования – СПАР - это единственная аббревиатура, так что ее легко можно учесть в дальнейшем тексте. Когда речь идет о полноценной системе произвольных реакций будем просто использовать слово СПАР.
На уровне наиболее простых адаптивных реакций (безусловного и условного рефлексов) не происходит целевой оптимизации движений, потому что эти простые рефлексы не имеют такой возможности (fornit.ru/68661). На этом уровне нет произвольности постановки цели действий и способов ее достижения. Поэтому система СПАР начинается всегда с ориентировочного рефлекса, с наиболее актуального стимула, который будет осмысливаться (fornit.ru/68516) и на который нужно ответить реакцией достижения определенной цели.
При этом возможны различные состояния, когда 1) уже есть привычная автоматическая реакция с позитивным эффектом, 2) есть значимая новизна, которая ставит под сомнение позитивный эффект привычной реакции и 3) когда ситуация настолько нова, что нет заготовленной автоматической реакции и ее нужно сформировать. Все это и описывается в книге Субъективность (fornit.ru/68364).
Существуют факторы, которые нужно учитывать, чтобы несколько корректировать совершение ответного действия в зависимости от особенностей текущего состояния организма и окружающих условий. Например, эффективность броска камнем в цель зависит от расстояния, текущего самочувствия, положения тела и условий. Во время броска происходит множество сопутствующих мышечных усилий, которые меняют равновесие и влияют на точность броска. Все это учитывается во время пробных учебных бросков, оттачивающих надежность результата. Все результаты каждой попытки учитываются осознанно в виде оценки точности и понимания того, что помешало точности, или же непонимания этого. Удачные результаты закрепляются в некоторой области памяти, не относящейся к памяти образа целевого действия. Хотя в структуре автоматизма, запускаемого по стимулу, нет никаких корректирующих дополнений, обеспечивающих достижение цели, но есть некий “указатель”, некий элемент (нейрон или что-то другое в искусственных системах), что при запуске автоматизма активирует систему поддержки движения так, чтобы обеспечить достижение цели в зависимости от тех влияющих условий, которые уже были учтены во время тренировок. Возможно, что такой связующий элемент локализуется в другой области, чем пусковой образ действий автоматизма, это не имеет никакого принципиального значения, но такой элемент есть принципиально.
Природная организация СПАР
Понятно, что на уровне структуры автоматизма просто невозможно создать все многообразие вариантов автоматизмов, которые бы учитывали все возможные влияющие факторы. И так же невозможно было бы совершенствовать точность движения, создавая все новые версии автоматизмов (а куда девать неудачно созданные?). Поэтому в природной реализации такая дополнительная поддержка движений была вынесена в отдельные органы мозга и получилось, что в этих органах вовсе не нужны сложные механизмы, а все организуется простыми рефлексами, которые и создаются в ходе осознанной оптимизации действия. В первую очередь к такому органу относится мозжечок (fornit.ru/69078), который имеет большие размеры из-за необходимости формирования множества контекстно зависимых рефлексов (это особый вид рефлексов, не безусловные и не условные, а специализированные рефлексы поддержки целевого движения). Во вторую очередь таким органом являются базальные ганглии.
В ходе совершения движения все его этапы контролируются специальными проприорецепторами, а также другими видами рецепции, прежде всего зрительной и вестибулярной. И по каждому такому этапу отрабатывают корректирующие рефлексы. Если в контроле выполнения действия учувствует зрение, то при с закрытыми глазами это действия будет поначалу выполняться с ошибками, но постепенно возникнут дополнительные корректирующие рефлексы.
C. Бернштейн, разрабатывающий теорию функционального ансамбля, выделил несколько усложняющихся уровней корректирующих действий, но все рефлексы мозжечка настолько просты, что не подразделяются по сложности поддержки движения и поэтому они подходят для коррекции любых действий, не только моторных, но и ментальных. Концепции А.Леонтьева, развивавшего теорию функционального ансамбля, уходят в более надуманные построения с попыткой описать целостно всю систему произвольности, начиная с ориентировочной реакции и целеполагания, а это слишком сложная система многих уровней эволюционного развития, чтобы ограничиваться только аспектами регуляции движений.
В случае настолько привычного и уверенного автоматизма в хорошо известных условиях, не вызывающих сомнения в успехе, действие совершается без необходимости дальнейшего осознания. Но достаточно небольшого изменения хотя бы одного из компонентов автоматизированного навыка, чтобы этот навык перестал быть полностью автоматизированным, и возникло вмешательство произвольной регуляции с поиском более подходящего действия и оценкой его результата. Правда, если на осмысление нет времени и нужно срочно действовать, то движения совершаются автоматически, несмотря на риск.
Базальные ганглии (fornit.ru/69699) играют ключевую роль в инициировании и контроле движений, а их основная функция заключается в регуляции силы, серии и плавности движений. Они принимают информацию из кортикальных, сенсорных и моторных областей, обрабатывают ее и направляют сигналы обратно к коре через таламус.
Одной из главных функций базальных ганглиев является подавление избыточных движений и обеспечение запуска необходимых двигательных паттернов. Это достигается через две основные модели: прямую и косвенную. Прямая усиливает движение, а косвенная — тормозит. Баланс между этими двумя путями помогает в согласовании и регуляции сложных двигательных актов.
Сравнивая это с функционированием мозжечка, можно сказать, что мозжечок больше сосредоточен на координации движений и их точности. Мозжечок получает сенсорную информацию о текущем состоянии тела и выполняемых движениях, а также определенную цель действия (fornit.ru/23500). На основе этого мозжечок корректирует движения в реальном времени, обеспечивая их плавность и точность.
Схожести между базальными ганглиями и мозжечком заключаются в том, что оба участвуют в регуляции движения и взаимодействуют с кортикальными структурами для достижения моторного контроля. Оба также имеют обратные связи, которые помогают корректировать движения. Но мозжечок учитывает поставленную на уровне психики цель действия, которая формируется на уровне психики, а базальные ганглии - нет.
Мозжечок и базальные ганглии вместе обеспечивают плавность и точность движений в СПАР. Мозжечок корректирует движения в процессе их выполнения, основываясь на сенсорной обратной связи, а базальные ганглии способствуют выбору подходящей программы за счет обращения к памяти опыта: они получают информацию от коры головного мозга, где формируются намерения и планы действий, и участвуют в выборке нужной информации из эпизодов памяти наиболее подходящей программы движения для достижения цели. Т.е. сначала работают базальные ганглии, а после выбора программы действий мозжечок координирует ее выполнение.
Мозжечок участвует в обучении новым двигательным навыкам (для их координации) и автоматизации движений на уровне психики, начиная с ее наиболее древних форм. Новые программы действий сохраняются в эпизодической памяти в виде правила с помощью базальных ганглиев. Хотя в этом случае говорят не об эпизодической памяти, а о “процедурной”, но в эпизодах памяти сохраняются не образы автоматизмов, а только нейроны-указатели на образ пускового действия (fornit.ru/67560).
Базальные ганглии оказываются более ранним образованием по сравнению с мозжечком. Одной из наиболее древних функций базальных ганглиев является обеспечение гомеостаза – поддержание стабильности внутренней среды организма. Это достигается через регуляцию стилей поведения, которые способствуют адаптации к изменениям во внешней среде. Это влияние базальных ганглиев на конкурентные стили поведения исследуется во многих областях – от неврологии до психологии и социологии.
Базальные ганглии представляют собой группу ядер, расположенных глубоко в белом веществе мозга, и они развиваются у многих видов животных, включая рептилий и млекопитающих. Базальные ганглии имеют более древнее происхождение и функциональную значимость в эволюции мозга, чем мозжечок, потому что именно мозжечок координирует выполнение осознанно сформированных программ действий, а в базальных ганглиях выполняются предшествующие этому операции, хотя эволюция и развила базальные ганглии для общего взаимодействия в процессе организации САПР.
Мозжечок присутствует у всех позвоночных, включая рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих. Это говорит о том, что мозжечок появился потому, что у этих животных уже есть примитивная система обработки стимула по ориентировочному рефлексу для уточнения реакции в новых условиях. Мозжечок отвечает за точность и согласованность движений. Мозжечок участвует в процессах адаптивности психики, помогая организму реагировать на изменения в окружающей среде и корректировать свои движения соответствующим образом.
У насекомых мозжечка нет. В отличие от более примитивных структур, таких как ствол мозга, которые отвечают за безусловные и условные рефлексы, мозжечок сложнее и имеет более позднюю эволюционную историю. Это указывает на то, что мозжечок стал ключевым элементом в развитии более сложных форм поведения и адаптации у млекопитающих и других более высокоорганизованных животных.
Сравнение функциональности поддержки движений у базальных ганглиев и мозжечка
Базальные ганглии выполняют широкий спектр функций, помимо поддержки движений:
• Управление извлечением и сохранением информации в кратковременной (активные циклы гиппокампа) и эпизодической памяти. Базальные ганглии участвуют в процессах сохранения и воспроизведения автоматизированных навыков, участвуют в формировании связей между стимулами и реакциями.
• Участие в процессе выбора между альтернативными действиями в виде процессов извлечения затребованной префронтальной корой информации.
• Помощь в разработке последовательностей действий для достижения цели – также в виде процессов извлечения затребованной префронтальной корой информации.
• Фокусировка осознанного внимания на важных аспектах окружающей среды - ориентировочный рефлекс и связь активного цикла гиппокампа с каналом осознанной обработки (fornit.ru/24232). Базальные ганглии помогают направлять внимание на новые стимулы и поддерживать его на протяжении ориентировочной реакции (удержание актуального стимула). При ориентировке на новый стимул организм может использовать прошлый опыт для оценки ситуации и выбора наилучшего поведения.
• Базальные ганглии влияют на конкурентную стилей поведения (не путать с эмоциями!), что является наиболее древней функцией обеспечения гомеостаза.
• Играют ключевую роль в системе вознаграждения мозга, участвуя в стимуляции поиска новых источников удовольствия и удовлетворения, формировании автоматических реакций на стимулы и участвуют в обработке сигналов, связанных с получением награды.
• И даже участвуют в древних механизмах установления и поддержания социальной иерархии.
Базальные ганглии пассивно координируют многие адаптивные системы, т.е. играют роль вспомогательных механизмов, обеспечивающих взаимодействия многих систем. Эти функции позволяют более определенно и ясно найти место базальных ганглиев в системе индивидуальной адаптивности.
В отличие от базальных ганглиев мозжечок специализируется только на поддержки формирования двигательных реакций на уровне психики на основе уже сформированной цели реагирования. Он участвует в координации тонких автоматических движений, контролируя активность различных мышечных групп при выполнении стереотипных поведенческих актов. Мозжечок также постоянно контролирует положение головы, туловища и конечностей, участвуя в поддержании равновесия. Кроме того, мозжечок играет важную роль в формировании двигательных навыков, способствуя запоминанию последовательности движений. Все перечисленное, по сути, укладывается в одну универсальную модель функциональности СПАР, реализуемую простейшими рефлексами мозжечка.
Предстоит еще много исследований для уточнения принципиальной функциональности базальных ганглиев в САПР.
Искусственное моделирование системы поддержки движений
При искусственном создании модели индивидуальной адаптивности возможно создание единой функциональной структуры для поддержки и координации выполняющегося автоматизма с помощью простых рефлексоподобных связей воздействующих условий и достижением заданной цели реакций (не только моторных, но и ментальных). Нечто подобное сделали создатели BostonDinamic. Их роботы уверенно координируют движения в условиях случайных помех.
Некоторые последние достижения компании Boston Dynamics:
Электрический человекоподобный робот Atlas в костюме Санта-Клауса впервые сделал сальто назад. Весной этого года Boston Dynamics отказалась от использования гидравлики в конструкции человекоподобных роботов и перешла на полностью электрический привод.
Гуманоидный робот Atlas научился самостоятельно сортировать автомобильные детали. Видеоотчёт демонстрирует, как роботу удаётся ловко и быстро перемещать детали двигателя между контейнерами.
Boston Dynamics представила новое поколение роботов Atlas, разработанное вместе с Hyundai. Новый робот полностью электрический, инженеры убрали в нём элементы с гидравликой. По словам специалистов компании, второе поколение роботов Atlas стало ещё быстрее и подвижнее.
Роботы Boston Dynamics используют несколько ключевых принципов поддержки целевых движений. Эти роботы оснащены множеством сенсоров, включая камеры, лидары, гироскопы и акселерометры. Эти сенсоры позволяют роботам получать информацию о своем положении в пространстве, скорости перемещения и взаимодействии с окружающими объектами. Эта информация используется для корректировки движений в реальном времени.
Роботы Boston Dynamics используют продвинутые алгоритмы управления динамическим балансом, чтобы поддерживать устойчивость при перемещении по неровной поверхности или выполнении сложных маневров. Эти алгоритмы учитывают центр тяжести робота и распределяют нагрузку на конечности для сохранения равновесия.
Перед выполнением сложного движения, например, прыжка или подъема по лестнице, роботы планируют траекторию своего движения. Это позволяет им избежать столкновений с препятствиями и минимизировать риск падения.
Реактивное управление позволяет роботам мгновенно реагировать на изменения в окружающей среде. Например, если робот сталкивается с неожиданным препятствием, он может изменить направление движения или скорректировать свое положение, чтобы избежать столкновения.
Роботы Boston Dynamics используют гибридные системы управления, сочетающие жесткое программное управление с адаптивными алгоритмами координации усилий и вспомогательных действий.
Роботы обучаются на основе обратной связи от окружающей среды методом подкрепления. Они могут улучшать свои навыки, повторяя действия и получая обратную связь от датчиков и камер.
Это в основном повторяют принципы поддержки целевых движений в природной реализации. Отличие в том, что сами цели движений и основа реагирования осуществляется оператором и предусмотрены программно.
Искусственное существо Beast (fornit.ru/beast), которое является действующим прототипом индивидуальной системы программирования, имеет как основу произвольного выбора цели и нахождения приемлемого действия с последующей оценкой результативности, так и мозжечковую поддержку координации и дополнительных движений. В нем нет базальных ганглий, потому что их функции осуществляются отдельными специализированными схемами.
4-01-2025