Мозг и информация

Геннадий Сергеевич Воронков | mail |

МОЗГ И ИНФОРМАЦИЯ
Редактированная версия доклада, прочитанного на семинаре кафедры ВНД 2002 - 4 - 1

Аннотация

В историческом аспекте кратко рассматриваются две парадигмы: 1) мозг есть инструмент для формирования модели мира и 2) сам мозг (сенсориум) есть модель мира - соответственно информационная парадигма (ИП) и модельная парадигма (МП). Далее в статье описываются в терминах МП возможные нейронные механизмы в сенсориуме, относящиеся к восприятию, памяти и мышлению. Делается заключение, что ряд проблемных в терминах ИП вопросов в отношении мозга в целом, а также вопрос "Что есть информация?" находят решение в терминах МП.

G.S. VORONKOV
The M.V. Lomonosov Moscow state university
GSV@GVoronkov.home.bio.msu.ru
THE BRAIN AND INFORMATION

Abstract

The paper briefly discusses historical aspects of 2 paradigms: 1) the brain is the instrument for formation of the model of the World and 2) the brain proper (sensorium) is the model of the World, i.e. the information paradigm (I.P.) and model paradigm (M.P.), respectively. Then, the possible neuron mechanisms in sensorium, related to recognition, memory and thinking, are considered. The following conclusion is advanced: a number of problematic in I.P. terms questions concerning the brain in a whole and the question "What is the information?" turn out solvable in M.P. terms.

ВВЕДЕНИЕ

Проблема мозга. Как представлена информация в мозге? - так формулируется на последних крупных форумах основной вопрос, в который упирается понимание принципов организации мозговых механизмов, связанных с восприятием, памятью и мышлением.

Основные парадигмы. Мозг отражает (моделирует) мир. С этим утверждением согласны все. В то же время, имеет место дихотомия в интерпретации этого бесспорного положения: первая интерпретация может быть выражена формулой "в мозгу есть модель", вторая - формулой "сам мозг из нейронов есть модель". Согласно первой интерпретации, доминирующей до сих пор, картина мозговых процессов выглядит следующим образом: информация о внешнем мире кодируется рецепторами, в импульсной форме по сенсорным путям она поступает в мозговые центры, где декодируется, обрабатыватся, интерпретируется и сохраняется в виде некоторой энграммы (модели), из которой снова извлекается в процессе мышления. Центральным понятием в этой интерпретации является понятие "информации" - как некоторой базовой сущности. Поэтому будет естественным именовать эту интерпретацию "информационной парадигмой (ИП)". Однако, как это ни удивительно, понятие "информация" имеет > 20 определений и, следовательно, не имеет общепринятого. Ключевым моментом в ИП является то, что нейрон рассматривается в ней как полифункциональный элемент. Это означает, что, в зависимости от содержания сходящейся на нейроне и имеющейся у него информации, последний выдает на выходе, образно говоря, разные предложения, закодированные разными импульсными паттернами. Вторая интерпретация предполагает, что сами нейроны мозга (а не что-то другое) поставлены в соответствие объектамсвойствам среды и, таким образом, сам мозг есть нейронная модель. Соответствие нейронов оригиналу проявляется при актуализации последнего: воздействующие объектысвойства активируют только соответствующие этому оригиналу рецепторы и нейроны. Реализует соответствие специальный механизм - механизм реализации соответствия. В такой интерпретации не остается места ещё для какой-либо сущности, кроме оригинала и модели. Эту интерпретацию естественно именовать "модельной парадигмой (МП)". В МП-интерпретации (или МП-представлении) нейрон по определению монофункционален. Образно говоря, данный нейрон всегда выдаёт на выходе одно и тo же предложение(свойство "все или ничего"), независимо от импульсного паттерна. Другими словами нейрон является специализированным детектором входного признака. Вопрос о поли- или монофункциональности нейронов это лишь другая форма постановки вопроса о мозговых кодах. В МП-интерпретации кодами актуальных объектов являются возбужденные нейроны (потенциальных - в состоянии покоя), тогда как в ИП-интерпретации - это динамические импульсные паттерны. Исторически, именно МП- интерпретация в физиологии была первой, в явном и неявном виде она просматривается от Мюллера (1842) до наших дней (Хьюбел, 1990). Нейрокибернетика, нейроинформатика и искусственный интеллект. В основополагающей, как принято считать, для теории нейросетей работе (Маккаллок, Питтс, 1943) авторы находились на позициях МП: в их работе нейрон это элемент, работающий по типу "все или ничего". Явный переход на позиции ИП начался в 50-60-е годы. Он совпадает с периодом становления кибернетики и получения твердых доказательств свойства "всё или ничего" у импульсных "потенциалов действия". Тем не менее, голоса в пользу первоначальной парадигмы (МП) сохранялись (например, Аттли, 1956; Розенблатт, 1965). В 80-е годы, в связи с отсутствием строгих свидетельств кодирования импульсными паттернами, начинается поиск других принципов кодирования, среди них доминирующим на некоторое время становится принцип "пространственного кодирования". Эти представления оказались не выдерживающими критики и лишь обозначили начало отхода от ИП. В настоящее время позиции многих авторов часто эклектичны: декларируется ИП, хотя в неявном виде опорой служит МП, или наоборот. Имеются работы, в которых выражается мнение о необходимости смены доминирующей парадигмы.

В основной части в обобщенной форме описываются мозговые процессы и явления, связанные с восприятием, памятью и мышлением (традиционно рассматриваемые как информационные), в терминах МП, обозначаемой автором также как "модельный подход" или "парадигма оригинал-модель" [1-3], и делается попытка развить понятие "модель".

Общее заключение содержит некоторые обобщения, вытекающие из проведенного в основной части описания.

ОСНОВНАЯ ЧАСТЬ

С излагаемой точки зрения, сенсорные системы (в целом сенсориум) есть нейронная модель внешней среды . Термин "нейронная модель среды" означает, что объектам свойствам среды (оригиналу) поставлены в соответствие нейроны мозга (Рис.1). Нейронная модель относится к сложным моделям. Главное отличие этих моделей от простых состоит в наличии у них механизма реализации соответствия (МРС). Благодаря этому механизму, воздействующий на модель оригинал активирует поставленные ему в соответствие нейроны. Простые же модели, например, такие как макет оригинала или его изображение на бумаге, хотя и поставлены в соответствие оригиналу, не имеют МРС. Из неживых искусственных моделей наделены МРС, например, искусственные нейросети.

Как устроен МРС в нейронной модели (сенсориуме)? Рассмотрим Типовую структуру (ТС) организации нейронов в элементарном сенсориуме (Рис.2). Рецепторы ТС активируются только соответствующими элементарными стимулами благодаря специфичности самих рецепторов. Механизмы специфичности рецепторов хорошо изучены в биологии. Специфичность (избирательность) нейронов ТС обеспечивается адресной проекцией рецепторов: квазисимвольные нейроны имеют ту же избирательность, что и рецепторы - благодаря проекциям 1:1 (группа однотипных рецепторов приравнивается единице); символьные нейроны избирательны к сложным стимулам или классам стимулов - благодаря адресности конвергирующих проекций разнотипных рецепторов. Чем выше cинаптический уровень ТС в элементарном сенсориуме, тем к более сложным стимулам (или классам стимулов) избирательны её нейроны.

Рисунок (Рис.3) показывает, что организация конвергирующих входов по типу конъюнкции обеспечивает избирательность нейрона к неразрывной совокупности свойств объекта; по типу дизъюнкции - избирательность нейрона к свойствам объекта по отдельности, как если бы они составляли некоторый класс; конвергенция с отрицанием сужает избирательность - уменьшает численность и совокупности и класса.

Кроме того, можно показать, что конвергенция служит механизмом, обеспечивающим инвариантность избирательности - например, к силе стимула, размеру, месту в пространстве.

Заметим также, что мозг использует, помимо МРС, и некоторые другие механизмы избирательного активирования нейронов, например, с помощью пептидов, выделяемых в кровяное русло. Эти механизмы выполняют отличные от МРС функции (см. также ниже).

Сенсорная среда (Рис. 4). Мозг моделирует только адекватную органам чувств среду, неадекватная среда для мозга как бы не существует. Знакомая часть среды есть смоделированная среда, новая - может быть смоделирована, будучи воздействующей. Среда либо воздействует на нейронную модель - это актуальная часть среды, либо не воздействует - это потенциальная часть. Актуальная среда характеризуется рядом специфических свойств. Этими характеристиками актуальности являются временные и силовые параметры воздействующих объектов. Особой является "субъективная" характеристика - положительная или отрицательная значимость объекта в отношении модели. Этой характеристике поставлены в соответствие нейроны эмоциональной системы. Большей частью на нейронную модель воздействуют непосредственно не сами объекты, а их модели - например, оптические, акустические. Модели всегда представляют только некоторую часть (аспект) среды. Объекты среды иерархически и параллельно составлены из более простых объектовсвойств, это отражено и в организации нейронной модели сложного объекта (см. Рис.1 и 2).

Долговременная память (ДП) о потенциальной среде это сама модель из нейронов, поставленных в соответствие объектам потенциальной среды. Актуальная среда представлена актуализированной частью ДП (см. на рис. 1 и 2). Актуальным характеристикам актуального стимула соответствуют функциональные параметры нейронов, например, силе стимула соответствует степень возбуждения соответствующих нейронов.

Кратковременная память (КП) это память об актуальных характеристиках актуального стимула. Она сохраняется в виде повышенной возбудимости нейронов и проводимости путей к ним, то есть тем, что в совокупности обозначается в теории нейросетей как вес синапсов. Можно, таким образом, заметить отличие биологической нейронной сети (БНС) от искусственной нейронной сети (ИНС): в ИНС изменение весов синапсов принято считать основным механизмом реализации соответствия - МРС, тогда как в БНС изменение весов синапсов это механизм КП (см. выше). Пост- и пресинаптическая пластичность, а также возбудимость нейронов обеспечиваются многими (уже достаточно хорошо изученными) механизмами, это проявляется в известном многообразии свойств КП.

В нейронной модели объект представлен и как целое, и как набор свойств. Так, на Рис.2 в ТС символьный нейрон АВ представляет объект АВ как целое; квазисимвольные нейроны представляют свойства А и В объекта АВ.

Оба типа нейронов объединены положительной круговой связью. Такая организация ТС обеспечивает на некоторое время поддержание активности и её ритмизацию, что в свою очередь, обеспечивает устойчивое выделение активности из фона, синхронизацию и квантование активности. В элементарном сенсориуме (Рис. 2) символьные и квазисимвольные нейроны ТС более высокого СУ соответствуют более сложным объектам и более сложным их свойствам. По нисходящим связям квазисимвольных нейронов происходит детализация сложных свойств. Таким образом воспроизводимая на квазисимвольных нейронах картина может быть богаче, чем ключевой стимул, активирующий символьный нейрон; феноменологически это аналогично голографическому воспроизведению картины по её части.

Организация ТС (см. Рис. 2) позволяет интерпретировать, что называется, зримым образом ряд лингвистических понятий: сам символьный нейрон выступает в роли имени объекта, активирование им квазисимвольных нейронов есть воспроизведение денотата, а активирование или повышение им возбудимости у других символьных нейронов с помощью ассоциативных проекций есть воспроизведение сигнификата. Последний отвечает таким понятиям как контекст, смысл, семантика.

Отметим ещё два важных момента. 1) МРС выступает как механизм эмерджентности - поскольку он обеспечивает возникновение новой избирательности у символьного нейрона по сравнению с предшествующими элементами; квазисимвольные нейроны таким свойством не обладают. 2) Независимую работу полей ТС можно интерпретировать следующим образом. Активность квазисимвольных полей есть коррелят модальных ощущений - видения, слышания и т. п.. Активность символьных полей - коррелят ощущения опознания объекта. Активность нейронов сигнификата - коррелят ощущение понимания контекста ситуации. Теоретически, из такого представления следует возможность автономности разных ощущений , например, ощущение видения без опознания-понимания (что не кажется удивительным), и опознание-понимание без видения (что кажется парадоксальным, но, тем не менее, является уже фактически показанным в действительности - в виде феномена "слепозрения"). Сложная система, составленная из ТС по типу вложенностей (см. Рис.2), теоретически, обеспечивает ряд функций, связанных с мышлением, если определить мышление как решение задач, базирующееся на процессе опознания и на процессе обучения. В случае мышления как опознания, решение задачи есть достижение определенной частью нейронной модели (пирамиды из ТС, в целом соответствующей объекту с его свойствами) устойчивого состояния активности - своеобразного динамического аттрактора, где в качестве параметра порядка выступает ритмическая активность символьного нейрона завершающей ТС. Вот с этим я не могу согласиться. Здесь не затрагивается личностная значимость воспринимаемого и поведенческая направленность мышления.  В случае мышления по механизму обучения, решение - это достраивание недостающих ТС (что, фактически, равносильно образованию нового понятия) и затем опознание. Для этого имеется достаточно богатый арсенал нейрофизиологических механизмов. Так, инициируют процесс образования новых ТС активирующие воздействия: сенсорные - при сенсорном обучении, и со стороны активирующих систем мозга - при обучении на основе воспоминаний; направляют процесс генетически обусловленные механизмы роста, выбора мишени и архитектура сети.

Поскольку, по сути, именно за счет конвергенции возникает новая селективность у символьного нейрона (см. выше), формирование новой ТС, можно рассматривать как физиологический процесс, лежащий в основе мысленного акта истинного творения - творческого мышления.

Языковую (ЯС) и моторные (МС) системы можно рассматривать, по аналогии с сенсориумом, как нейронные модели сред (Рис. 4): ЯС - как модель языковой среды, МС - как модель мира двигательных образов. Обе системы могут быть построены из ТС (Рис. 5 и 6), но с определенной спецификой.

Так, в ЯС (Рис.5) в роли рецепторов выступают нейроны-слова, служащие в качестве ярлыков для нейронов-понятий - аналогов символьных нейронов (равно нейронов-смыслов) сенсориума; ЯС через взаимооднозначные связи между нейронами-понятиями и нейронами-смыслами неразрывно связана с сенсориумом, это позволяет осуществлять перевод образов и смыслов сенсориума в понятия и слова ЯС и обратно - перевод слов и понятий ЯС в смыслы и образы сенсориума.

В МС (Рис.6) аналогом рецепторов выступают мотонейроны (с учетом обратной, по сравнению с сенсориумом, направленности процесса в МС); в качестве символьных нейронов - командные нейроны; последние связаны с символьными нейронами высоких уровней сенсориума.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, МП есть предлагаемое решение обозначенной в начале статьи проблемы, в терминах МП оказывается возможным, на наш взгляд, описывать проявления деятельности практически всего мозга. Сравнивая описания, сделанные в терминах ИП и МП, можно увидеть скрывающиеся за информационными терминами, традиционными в текстах, следующие, определяемые в терминах МП, понятия: за термином "информация" скрываются понятия, модель или промежуточная модель, или сам оригинал; за термином "кодирование" - процесс построения нейронной модели, то есть, постановка в соответствие элементам оригинала и оригиналу как целому элементов модели и формирование МРС этого соответствия; за терминами "передача и извлечение информации" - воздействие оригинала на МРС и актуализация соответствующих элементов в модели и т.д. Кажется очень вероятным, что в терминах МП можно описать и более простые, то есть не-живые, "информационные" системы, тем более, что количественная теория информации полностью приложима и для МП-интерпретации "информационных" процессов. В таком случае, вопрос "Что есть информация?" решается сам собой, именно: в МП-представлении он оказывается искусственно привнесенным.

Такими же искусственно привнесенными являются, очевидно, и некоторые проблемные вопросы в отношении мозга, формулируемые в терминах - ИП (извлечение и запись в ДП, взаимодействие ДП и КП, и другие. Помимо объяснительной значимости, МП, снимая ряд этих вопросов, открывает перспективы для конструктивного решения ряда других проблем, в частности, проблемы принципиальной нейронной архитектуры сенсорных, языковой, моторных и других систем мозга, проблемы "значения", проблемы творческого мышления - попытка этого была предпринята в данной и предшествующих работах.

Заключая, следует подчеркнуть, однако, что такая проблема как "Что есть ощущение и сознание?" остается несмотря ни на что в своем первозданном (с позапрошлого века) виде, ибо, установление корреляции того или иного вида ощущения (и сознания) с активностью тех или иных нейронных полей это ещё только лишь возможный путь к её пониманию.

Выборочный список работ автора по теме статьи

1. Воронков Г.С. Информация и мозг: взгляд нейрофизиолога. Нейрокомпьютеры: разработка, применение, 2002, № 1-2, с. 79-88.
2. Воронков Г.С. Модельный подход как новая парадигма в теории связи в сенсорных системах. Вестн. Моск. ун-та. Сер.16. Биология, 1993, вып.1, с. 3-10.

Воронков Г.С. Сенсорная система как нейронная семиотическая модель адекватной среды. Сб.: Сравнительная физиология высшей нервной деятельности человека и животных. М.: Наука, 1990, с. 9-21.