Аркадий Воловник - Знакомьтесь, информационные технологии
• время перехода потенциала через электрический синапс – 10-5 с;
• время перехода потенциала через химический синапс – 10-3 с.
Если принять размер нейрона (с учетом аксона) равным 10-4 м, то время распространения электрического потенциала (одного бинарного импульса) вдоль нейрона составит 5х10-5 с. При электрическом синапсе время задержки сигнала на одном нейроне (переход через один синапс и движение вдоль нейрона) составит 1,5х10-5 с. При химическом синапсе время задержки будет определяться практически только переходом через синапс [137] .
Процесс распознавания образа составляет около 10 -1 с. За это время один электрический сигнал может пройти максимум через 6 000—7 000 нейронов. При узнавании существует двойное движение информации: от органов чувств к нейрону и из запоминающей среды к другим участкам мозга. Поэтому даже 7 000 нейронов не представляется чрезмерным количеством.
Следует отметить, что при передаче «пакета» бинарных сигналов между импульсами должны существовать временные промежутки, равные по продолжительности самому импульсу. При продолжительности импульса порядка 10-3 с очевидно, что длительная последовательность импульсов, необходимая для передачи многобитовой информации об объекте, не может быть передана за время 10-1 с через многие нейроны. Следовательно, электрический способ представления информации, так же как и химический, не может обеспечить передачу больших объемов информации. Однако ультразвуковой (механический) способ при передаче информации между нейронами вполне приемлем.
Для обеспечения передачи очередной порции информации между приемником и источником должна создаваться (а по окончании данного «сеанса связи» разрушаться) сугубо индивидуальная магистраль, связывающая два конкретных нейрона. Процесс создания очередной магистрали не может превышать время распознавания образа. В мозгу в любой момент могут существовать несколько независимых магистралей. Необходим механизм, позволяющий создавать тракт передачи информации и разрушать его сразу после того, как потребность в данном канале отпадет, т. е. должна реализовываться бинарная логика формирования магистрали. Такую логику реализует нейрон при электрической форме представления информации.
За счет организации «входной логики» последовательной активации нейронов образуется цепочка возбужденных нейронов, на поверхности которых появляется измененный электрический потенциал. Этот потенциал создает в окружающих данный нейрон глиальных клетках электромагнитное поле, которое приводит к тому, что отдельные молекулы белков выстраиваются определенным образом ориентированно по отношению к поверхности нейрона. Назовем молекулы, находящиеся в глии и способные к пространственной ориентации, «белки – трансляторы информации» (БТИ). Цепочка упорядоченных БТИ образует относительно жесткий тракт, по которому могут передаваться механические колебания. При окончании возбуждения нейрона БТИ возвращаются в неупорядоченное (хаотическое) состояние внутри глиальной клетки, и тракт передачи информации разрушается, ибо колебания затухают в вязкой цитоплазме глиальных клеток.
Тракт создается со скоростью распространения электрических импульсов между и вдоль нейронов. Информация передается со скоростью распространения ультразвука вдоль магистрали. Если одновременно существуют несколько магистралей так, что ни в одной паре из них нет общих активированных нейронов, то ультразвуковые колебания будут распространяться по этим магистралям без взаимодействия друг с другом.
Существуют ЦВМ, информационные связи внутри которых реализуются только через магистраль, представляющую собой набор проводников с соответствующими усилителями, разъемами и т. д. Можно выделить два типа линий связи внутри магистрали:
• линии передачи управляющих сигналов;
• линии передачи данных.
В любом цикле приемопередачи логика работы магистрали задается значениями набора управляющих сигналов, которые определяют: источник и приемник (приемники) информации, объем информации, передаваемой в данном цикле, приоритеты и т. д. По линиям передачи данных передается собственно информация. Управляющие сигналы обеспечивают возбуждение отдельных элементов ЦВМ. При этом реализуется обмен информацией.
В предлагаемой модели роль управляющих линий магистрали исполняют нейроны. Однако их логические функции много шире: они реализуют логику работы нейронной сети (в ЦВМ эти функции совместно выполняют арбитр и процессор). В понятие «логика работы» входит выбор последовательности нейронов, обеспечивающих связь между источником и приемником информации. Однако это не просто создание «линий связи» между двумя нейронами, а важнейший элемент неалгоритмической системы обработки информации. Можно указать особенности этой системы:
• накопление значительного объема информации;
• выработка и запоминание правил работы с информацией;
• размещение информации в определенном порядке;
• система выборки необходимой в данный момент информации;
• наличие квалифицирующих характеристик для всех автономных квантов информации.
Реализация всего комплекса обеспечивает переход от данных к знаниям. Коренное отличие организации нейронной сети от ЦВМ заключается в многозначности функций, выполняемых нейронами, и в качественно ином уровне решаемых ЦНС задач за счет значительно большего числа одновременно включенных в работу многофункциональных элементов (нейронов). На рис. П4 показана структура описываемой магистрали.
Рис. П4. Магистраль передачи информацииНа рисунке обозначены:
1. Нейрон.
2. Управляющий сигнал.
3. Передача сигнала из нейрона в тракт передачи информации.
4. Тракт передачи информации (упорядоченные БТИ).
С точки зрения информатики можно указать три вида памяти, существующие в ЦНС человека: кратковременную, долговременную и постоянную [138] . В постоянной памяти (ПП) закодированы безусловные рефлексы. Их человек генетически наследует, сохраняет всю жизнь и передает потомкам. Обработка информации, записанной в ПП, ведется на уровне подсознания. Долговременная память (ДП) обеспечивает запоминание человеком информации, которой он может воспользоваться на протяжении всей своей жизни. Эта память реализована в нейроне на вращающихся молекулах БХИ.
Существует несколько типов кратковременной памяти. Рассмотрим сначала входную память (ВП), которая является буфером (временным хранилищем информации) между органом чувств и запоминающей средой. Все типы кратковременной памяти могут базироваться на использовании короткоживущих пептидов – молекулярных соединений, время жизни которых составляет буквально несколько секунд. Будем называть каждое из этих молекулярных соединений «белком кратковременного хранения информации» (БКХИ). Естественно, БКХИ вращается с той же скоростью, что и молекулы запоминающей среды, и также облучается ультразвуковыми колебаниями.
Для ВП такая организация работы требуется, чтобы реализовать последовательную трансляцию через нее всей информации, воспринимаемой органом чувств. Задержка на ВП может привести к информационному отсечению нейронной сети от органов чувств. Поэтому необходим элемент, в который будет последовательно заноситься очередная порция информации. Время синтеза и разрушения БКХИ и определяет тот поток информации, который может восприниматься ЦНС. Информационный объем БКХИ меньше объема БХИ, что следует из восприятия образа в виде нескольких элементов. Так, при рассматривании картины человек последовательно фиксирует взгляд на нескольких точках этой картины. Восстановление образа происходит целиком, т. е. человек вспоминает картину целиком, что указывает на хранение в ДП целостного образа.
Функция буфера для ВП заключается также в преобразовании формы представления информации из выходной (для органа чувств) в ультразвуковую (для передачи между нейронами). Так, при обработке зрительного образа БКХИ синтезируется под воздействием бинарных импульсных электрических сигналов, пришедших по зрительному нерву к входной памяти. Затем БКХИ облучается ультразвуковыми колебаниями, которые после модуляции выводятся из нейрона в тракт передачи информации и передаются в нейроны запоминающей среды.
Знания
Вместе с информацией от органов чувств (с образом объекта) в ВП поступает сообщение, выработанное сознанием и квалифицирующее воспринимаемый объект. Это сообщение также записывается на БКХИ. В результате в ВП формируются образная информация и квалифицирующее ее сообщение (набор признаков). Будем называть эти сообщения тегами. Теги позволяют перейти от данных к знаниям. Под знаниями будем понимать особый вид информации, представляющий собой симбиоз образов и тегов, а также алгоритмов и правил работы с данными [139] .
