Тема форума: «Эксклюзивные занятия по МВАП: Развитие функциональности клетки – элементарной структурной единицы организма.»

Эволюция живых организмов – тема настолько большая и сложная, что у нас нет возможности рассмотреть ее досконально, но это и не потребуется. Я взял на себя ответственность дать об этом совершенно надежные сведения общего, принципиального характера, но каждый может углубиться самостоятельно в те моменты, которые посчитает важными для себя – информации по теме очень много.

Мы говорили о том, что для построения любых схемотехнических последовательностей, предназначенных для управления, подходит элементарный распознаватель, т.е. на его основе возможно построить любую сколь угодно сложную схему управления, который отличаются тем, что, используя рецепторы воздействия, они управляют эффекторами ответного действия.

Но есть то более общее, что призвано не только управлять, а создавать вообще любые виды причинно-следственных последовательностей, что способно определять свойства организма: его вид и качества взаимодействия с окружающим.

Раньше были только одноклеточные организмы, возникшие на основе бесклеточных. Каждый из таких организмов пребывал в нише допустимых для его существования условий, приспособившись к этим условиям. За рамками этих узких условий они не могли существовать. Но разнообразие разных одноклеточных перекрывало практически любые условия: где не могли существовать одни виды, существовали другие. И еще, у всех был уже хорошо развитый механизм мутаций, позволяющий создавать виды, способные существовать в иных условиях.

Почти сразу начали возникать и разные способы совместного существования одноклеточных, когда разные адаптивные способности вместе оказывались настолько удачными, что расширяло границы существования по сравнению с существованием порознь. Это давало качественно большее преимуществе в конкуренции и поэтому многоклеточные образования, у которые разные клетки брали на себя разные функции, становились все более универсально приспособленными.

Эволюция развития многоклеточных – это – дерево жизни, из которого возникли высшие животные и человек.

В любых сложных организмах элементарной строительной единицей является клетка. Но клетка настолько разных видов по функциональному назначению, что практически решаются все проблемы адаптивности, необходимые для их существования как вида.

Клетка оказалась настолько универсальным образованием при своей общей принципиальной схеме, что обеспечила все необходимое организму от рецепторов внешнего воздействия, до эффекторов ответного действия при том, что сам организм превратился в надежно отлаженную невероятным количеством попыток реализации систему. И процесс отлаживания все еще идет, кипит огромным разнообразием элементарных составляющих так, что даже у одного вида животных его белковые основы оказываются индивидуально неповторимы и несовместимы с другими индивидами.

И лишь один вид клеток специализировался в распознаватели для управления. Этот вид возник как промежуточный между клетками, способными выдавать сигнал о внешнем воздействии (рецепторами) и клетками, способными по сигналу совершать какие-то действия (эффекторы). И рецепторов и эффекторов есть немалое число разных видов (рецепторы цвета, звука, прикосновения, запаха, вкуса, температуры, эффекторы мышечных сокращений и выделения веществ разного вида - железы).

Вначале рецепторы непосредственно взаимодействовали с эффекторами. Наследственно предопределенные связи отростков рецепторов подходили к приемным органам эффекторов. Важнейшим эволюционным достижением было образование контактов между отростком рецептора и телом эффектора, который первоначально не обеспечивал воздействие активировавшегося рецептора на эффектор, т.е. как бы напоминал просто щель, но механически закрепляющую положение отростка на теле эффектора, чтобы он не болтался, а был всегда рядом. Эту связь с щелью назвали синапсом.

Каждый эффектор без связи похож на коромысло весов, не нагруженное с обоих сторон, которое мотает в обе стороны любыми малейшими воздействиями.  Созревшая же эффекторная клетка подвергается внешним и внутренним случайным воздействия, которые заставляют ее срабатывать хаотично. Мышца подергивается, Железа выбрасывает свое вещество в окружающее пространство. Общее то, что эта активность у любых эффекторов обусловлена клеточным мембранным процессом, отражающимся на состоянии как самой клетки, так и ближайшего окружающего пространства. И если рядом есть отросток рецептора, который в это же время активирован внешним воздействием, то обе эти активности по обе стороны синаптической щели приводят к тому, что она становится все более проводимой так, что эта проводимость не позволяет более клетке эффектора возбуждаться хаотично, как если бы к коромыслу весов прицепили бы грузик. Теперь только если грузик меняет свой вес, состояние коромысла может так же измениться. Вот из-за такой аналогии в персептронах и стали применять понятие весов – как выражение состояния проводимости контакта, пропускающей сигнал: вес 1 будет условно означать, что контакт имеет 100% проводимость, а 0 – нулевую.

Тут видно, что эффектор уже выполняет роль распознавателя активности отростков на своем теле и в этом плане ничем не отличается от нейрона. А рецептор ничем не отличается от нейрона в плане имеющегося отростка для передачи в схемотехнической цепи возбуждения рецептора. Понятно, что возникновение промежуточной клетки, обладающей обеими сущностями, не потребовала от эволюции чего-то качественно нового. Таким образом нейрон стал одновременно и рецептором - для последующих структур и эффектором  - для предыдущих. И мы условно назовем такую клетку элементарным распознавателем – универсальным элементом для построения любых схем управления.

И мы уже описали способ образования связи между такими клетками в момент созревания эффектора и активности рецепторов. Тут важно одно: эффектор созревает всегда позже рецепторов так, чтобы на время своей специализации в связях уже были активными рецепторы.

После того, как процесс специализации закончится, эта клетка уже оказывается не способной образовывать новые связи, что является очень важным условием развития цепи связей. И первоначально такой период оказывался достаточно коротким так, что наследственно предопределенные связи надежно образовывались в нужный момент развития организма, в нужно временной последовательности. И поле специализации возникала запрет на порчу уже созданной схемы всякими дополнительными связями.

 Т.е. весь процесс развития простейшей нейросети определялся последовательностью активизации генетических структур программы развития организма (последовательностью экспрессии генов).

Пока на этом остановлюсь для общего обсуждения, вопросов и пояснений.

а 0 - нулевую. Вроде так правильнее?

Я понял так: в созревающем эффекторе есть период, когда устанавливается проводимость щели-контакта в момент воздействия на нее сигнала от рецептора. Например при помощи определенного хим. состава вещества в щели, которое при раздражении сигналом меняет свойства проводимости, но через некоторое время перестает меняться - зафиксировав свою конечную полученную проводимость. Образно можно представить как застывающий цементный раствор, который застывает с прочностью, зависящей от того, как его трясли/мешали. Или как фотоэмульсию, засвечивающуюся с плотностью зависящей от силы освещения. Так фиксируется (экспонируется) определенное сопротивление (вес) щели для каждого контакта. Это означает, что была зафиксирована усредненная, наиболее часто повторяющаяся по силе (частое) величина сигнала от рецептора. то есть определена некая закономерность. Например, среди общего звукового фона выделились повторяющиеся ритмичные, или редкие, но мощные частоты/амплитуды. Как в примере с ситами произошло разложение внешнего сигнала на отдельные составляющие.

Очевидно, что только такая схема могла возникнуть естественно-эволюционно как простейшая, и как показала дальнейшая эволюция она и легла в основу всех прочих усложняющихся схем. Стало быть многослойный персептрон с его глубоким обучением в принципе не может быть прототипом природной нейросети, так как в природной реализации для созревания распознавателя не нужен учитель и пересчет весов в созревшем слое. Нейросетевики идут отличным от эволюции путем и если что то и создадут, это будет что то другое.

На самом деле все там намного сложнее и навороченнее. Там не образуется какой-то фиксированной проводимости типа сопротивления в электрической цепи. А когда отросток передает возбуждение, в синапсе выделяются посредники (нейромедиаторы), обеспечивающие изменение поляризации мембраны клетки эффектора, т.е. как бы заливается вода в ведерко коромысла. Вместе с тем, синапс, способный передавать возбуждение, уже не просто разомкнутая цепь, а привязывает последующий эффектор к некоторому потенциалу (подгружает коромысло в сторону неактивности) и хаотичная активность от всяких помех отсутствует. Мы не будем здесь сильно детально разбирать механизмы, не являющиеся универсально принципиальными, но доступных материалов просто навалом.

Верно.

Ты же здесь не про нейрон, а про простейшие примитивные связи  между рецептором - эффектором, чтобы показать сам принцип образования связи между ними с установкой веса: как это делается автоматически, без учителя. Здесь очень грубо-упрощенное описание, специально для выделения главного.

Я для себя зафиксировал еще такой момент: наверняка в принципе самофиксации весов нет ничего загадочного для нейросетевиков, и если бы только в этом была проблема привлечения учителя - от нее бы быстро избавились. Тут дело в другом: они пытаются сразу придать смысл распознаваемому сигналу на первых же слоях распознавателя. То есть нет проблем экспозицией по аналогии с фотопластинкой автоматически зафиксировать веса на входах слоя, но при попытке назначить этим точкам, черточкам, дугам какой то смысл приходится привлекать учителя, который скажет: это линия, это дуга, это точка - соединив вместе они получают - треугольник, дугу, эллипс и т. д. Все эти названия может дать только учитель, автоматически они не могут самоназваться. Но в природной реализации этого и не требуется, там начальные распознаватели не занимаются поиском смыслов, на этом уровне их нет.

Прочитал. Возражений или вопросов пока нет.

Решил почитать немного о механизмах регенерации нервной системы гидры (у неё в течении всей жизни хорошо размечен градиентами весь организм), Марков на своей последней лекции с горящими глазами о ней рассказывал.

Смотрю статьи по C. elegans - это первое животное чей коннектом (302 нейрона) более или менее  описан и воспроизведен в виде компьютерной модели (https://ru.wikipedia.org/wiki/OpenWorm). Хочу посмотреть данные по нейропластичности C. elegans в течении жизни и на этапе роста нейросети, и, просто, глянуть что видно на базе анализа простейшего коннектома.

На связи.

В целом вопросов, ставивших в тупик нет, но преследует ощущение недопонимания картины в целом.

Пока по плану наметил дальше разбираться с тем, что есть клетка, нейрон, синапс, рецептор и эффектор (что из перечисленного является одним и тем же (как минимум, последние два – похожие клетки с разным специальным назначением):

https://scorcher.ru/neuro/science/recept2/in_out.php

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B8%D0%BD%D0%B0%D0%BF%D1%81

Таким образом нейрон стал одновременно и рецептором - для последующих структур и эффектором  - для предыдущих

Nan, «последующие и предыдущие уровни» – имеешь ввиду, по иерархии усложнения механизмов? (новых уровнях функциональности, основанных на предыдущих)

И мы уже описали способ образования связи между такими клетками в момент созревания эффектора и активности рецепторов.

Наверное, это про синапс.

После того, как процесс специализации закончится, эта клетка уже оказывается не способной образовывать новые связи, что является очень важным условием развития цепи связей.

А почему так важно для адаптивной системы, чтобы клетка перестала быть обучаемой в определенный момент?)   

Это вполне определено тем описанием, как возник нейрон среди рецепторов и эффекторов, которые в самых простых биосхемах управления связываются непосредственно. Если возникнет не один слой промежуточных нейронов, то у них окажется все тот же функционал: предудыщие будут играть роль рецепторов, а последующие - эффекторов.

Это настолько принципиально важный момент, что предлагаю каждому попытаться представить, что будет со специализацией нейрона без каких-то временных рамок? 

Первый слой нейронов так и будет обучаться до предела (может даже самоликвидации), а следующий слой не созреет, поскольку не появится контекст для его созревания – необходимо чтобы реальность демонстрировала неизменные свойства в данном диапазоне условий (в данном случае реальностью является предыдущий уровень нейронов). В конечном счете, система не сможет адекватно получать информацию о том что вне её.

>>> (nan) предлагаю каждому попытаться представить, что будет со специализацией нейрона без каких-то временных рамок?

Наверное, разумнее говорить о слоях?

В искусственных нейронных сетях будет переобучение.

В биологической нейронной сети последующий слой не сможет нормально обучаться.

В случае одного нейрона: 

>>> то будет со специализацией нейрона без каких-то временных рамок?

Возможно, будет апоптоз. Нейрон со временем перетянет на себя часть активации соседних нормальных нейронов, будет активироваться слишком часто и совершит суицид. 

Давайте представим себе созревший нейрон к которому подходят выходы некоторой матрицы от зрительного нерва, т.е. какой-то небольшой участок сетчатки проецирует свои аксоны, скажем 100х100. И вот, этот нейрон созрел, особь начинает пялить глаза и нейронные контакты начинают постепенно становится проводящими. Происходит что-то вроде фотопластинки у старомодного фотографа: участки с более частой засветкой темнеют (становятся все более проводящими) и вырисовывается какая-то примитивная картинка. Особь это время находится примерно в одном месте и пялится примерно на одно и то же. Предположим, что за минутку вырисовалось что-то вроде косой линии (такая не выраженная по краям, пятнообразная, но явно линия) – котенок сидит перед шваброй, прислонившейся к двери.

Если достаточно быстро нейрон запретит дальнейшее экспонирование своих контактов, то он станет теперь реагировать когда в поле зрения появится такая линия: примерно такой толщины и такого наклона.

А вот если запрета на дальнейшую засветку не будет, фотопластинка от разных других картинок в глазу засветится все более неопределенно, пока все контакты не станут проводящими. И тогда она сможет реагировать только на есть свет или нет света.

Период специализации должен быть оптимизирован и это происходит на уровне наслественной предрасположенности. Как и зачем эти периоды с последующими слоями становятся все более продолжительными – будем рассматривать позже.

Еще один фактор – то, какие аксоны подходят к нейрону. Сетчатка глаза – очень молодое образование. Помните мы рассматривали эволюцию зрительного восприятия, когда все начиналось просто со светочувствительных рецепторов, потом возникли фасеточные глаза?

От простого древнего датчика аксон прорастает в сторону, определенную наследственно (этот процесс неплохо изучен и есть статьи в аксиоматике сайта). И это определяет будет ли такая специализация или она по каким-то причинам не реализуется. Здесь вообще нет проблемы экспонирования от матрицы: связь одна или несколько. Зато есть проблема не попасть под раздачу формирования какой-то более поздней структуры, которая тоже тянет свои аксоны в нервном жгуте рядом (аксоны ложатся рядом друг с дружкой).  И вот, по такому аксону начинает поступать возбуждение, а рядом созревает нейрон, который наследственно рассчитан на связь с ним. Он начинает тянуть дендриты в сторону активности (где больше концентрация ионов и белков, характерная для возбужденного аксона). Но тут рядом есть уже давно созревший нейрон,  который связался со своим аксоном раньше. И если нет блокировки дальнейшей специализации, то он тоже начнет растить дендриты в сторону активности и свяжется совсем не с тем, на что рассчитывала наследственность. Поэтому нейрон с уже разок проросшими дендритами и образовавший связи, более не устраивает роста новых дендритов и не специализируется к новым контактам.

Так что уже для первых древних цепей типа рецептор-эффектор через промежуточный нейрон, отбором отбракованы такие нейроны, которые склонны к с последующим связям, портящим всю картину.

Пожалуйста, сделайте предположения, каким механизмом может обеспечиваться блокировка после достаточной специализации и без привлечения каких-то сложных механизмов? Подходящий вариант уже был рассмотрен :)

Тут немало замороченных сложностей природной реализации, которые нам в принципе не нужны. Нам нужно только понять и увериться в одном: необходим оптимизированный период специализации, и это – чрезвычайно важный принцип не только нейросетей, а вообще любых схем, когда уже есть более ранее отработанное свою функцию причин и следствий и уже не должно меняться чтобы не испортить общую уже сформированную последовательность на основе предыдущих.

Я думаю, что описанные моменты достаточно очевидны и понятны.

Остается сопоставить с выявленными в прошлой теме принципами организации распознавателей в более общую картину с учетом принципов этой темы.

Поэтому, пожалуйста, отпишитесь по результатам такого обобщения.

Орган же клеточная структура и всегда взаимодействие идет с клетками.

Не специализированный нейрон будет реагировать на все подряд, постоянно выдавая серии импульсов. А специализированный соответственно только на "свой" раздражитель. Стало быть, привязавшись к частоте реакции нейрона можно грубо определить его зрелость. То есть когда он резко снижает свою активность, это значит, что он созрел.

Схемотехнически это можно реализовать, если созревающий нейрон будет связан со следующим слоем тормозными связями, которые блокируют пейсмекерную активность вышестоящего слоя. Тогда пока нейрон гипервозбужден, он блокирует созревание нового  слоя, а когда его активность падает после специализации - следующий за ним слой "отпирается". Если к этому добавить генетически зашитый период созревания, то можно предположить, что тормозные связи в нужный момент буквально "отваливаются", для еще более надежного "отпирания". Но думается, эволюционно самым простым и естественным будет механизм принудительной блокировки созревающим слоем последующего, ведь для этого достаточно через случайную мутацию просто изменить тип связи части отростков и естественным отбором определить нужный баланс соотношения активных/тормозных связей, тянущихся к вышестоящему слою.