Алексей Редозубов - Мозг напрокат. Как работает человеческое мышление и как создать душу для компьютера
С момента издания в 1859 году основополагающей работы Чарльза Дарвина «Происхождение видов путем естественного отбора или Сохранение благоприятных рас в борьбе за жизнь» и до наших дней постоянно звучат сообщения о том, что теория Дарвина неверна, что найдены «достоверные факты», ее опровергающие. Как правило, за этим стоят либо религиозные взгляды, либо непонимание, либо невозможность проследить эволюционный процесс в сложных системах при воздействии большого числа факторов. Сегодня сам факт эволюции сомнению учеными не подвергается, так как имеет огромное число прямых подтверждений.
Печально известный академик Лысенко утверждал, что основной двигатель эволюции — это наследование приобретенных при жизни свойств. Как-то на заседании Президиума АН СССР (еще в бытность его президентом АН СССР) один из академиков выступил в защиту генетики. Выступление было долгим и горячим, изобиловало фактами, цифрами и было подкреплено результатами экспериментов. После выступления этого академика товарищ Лысенко выступил с разгромной речью, направленной против этого академика, заявив всем уже известное: что генетика — это «проститутка капитализма- империализма», и далее в том же духе.
После столь страстных слов «главного академика страны», сказанных против генетики, выступать, казалось бы, не мог уже никто.
Ан нет! Встал сэр (он к тому времени уже был сэром) Капица (еще Капица-отец) и спросил «главного научного»:
— Стало быть, вы утверждаете, что если мы отрубим корове один рог и будем проводить ту же самую процедуру с ее последующими поколениями, то в результате мы выведем однорогую корову?
— Да! Это только вопрос времени! — уверенно ответил ««генералиссимус от профессуры».
— Времени, говорите? Тогда как же это получается, что все женщины вот уже со дня сотворения мира и по сей день рождаются девушками, а евреи — необрезанными?
Вспомним ненадолго о нейронных сетях.
Еще один алгоритм обучения нейронных сетей, заимствованный у природы, носит название «генетический». Суть его проста: сначала строится нейронная сеть, входами и выходами отвечающая поставленной задаче. Количество нейронов сети и их связи выбираются экспертно, исходя из опыта решения других, схожих по сложности задач. Веса на входах нейронов задаются случайным образом. Затем на вход сети подаются обучающие сигналы, оценивается успешность работы сети. Далее производятся случайные мутации, и если какие-либо из полученных сетей справляются с решением задач «лучше», то далее процесс мутаций повторяется на них. Иногда, после длительного эволюционного процесса, удается получить сеть, которая успешно справляется с решением исходной задачи.
Часто, при применении генетического алгоритма, для ускорения его работы используют скрещивание исходных сетей (называя при этом исходные сети хромосомами). Я считаю, что это не очень корректный подход. Как и отождествление матрицы весов нейронной сети с хромосомами. Дело в том, что при скрещивании на уровне реальных хромосом происходит обмен генами, каждый из которых является носителем определенного свойства. Результирующий ген получается «осмысленным». При скрещивании нейронных сетей происходит обмен весами, которые являются частью «осмысленных» конструкций. При этом, если скрещиваемые нейронные сети далеко разошлись друг от друга — результат будет «бессмысленным», если же они не далеко разошлись друг от друга, то это подмена алгоритма мутации.
Каждое свойство, которое приобретается по ходу эволюции, оказывается «выгодным» для его носителя на тот момент, когда оно возникает. Но, возникнув и закрепившись, оно служит фундаментом для появления новых свойств. В итоге далеко не всегда понятен смысл тех или иных информационных достижений. Далее в этой книге мы будем неоднократно разбирать разные эволюционные загадки.
Рассмотрим для примера несложную эволюционную головоломку. Почему человеку, чтобы научиться ходить, нужен год, а котятам три недели?
Ходьба человека не сложнее ходьбы кошки, поэтому причину следует искать не в более сложном устройстве двигательной системы человека. Причина проста. Система инстинктов у человека значительно сложнее, чем у кошки, а значит, и формируется значительно дольше. Если бы ребенок начал ходить слишком рано, многократно бы возросли риски упасть куда-либо или попасть в иную неприятность. Оказалось эволюционно выгодно «<отложить» начало ходьбы ребенка до момента более полного формирования инстинктов, способных его уберечь от различных неприятностей.
Эволюция нейронных сетей
Ранее мы говорили об искусственных нейронных сетях, предназначенных для решения какой-либо специализированной задачи. В основном это задачи классификации (распознавания образов). При этом рассматривались алгоритмы, которые позволяли «обучить» нейронную сеть, состоящую из относительно небольшого числа нейронов (например нескольких сотен). Каждый из алгоритмов не гарантировал оптимального результата и содержал определенный элемент «шаманства». Обученная нейронная сеть представляла при этом «вещь в себе», и в этом случае крайне трудно анализировать смысл весов того или иного нейрона и значение его связей. «Смысл» появлялся только у всей сети целиком — как у инструмента, созданного для решения определенной задачи. Природа строила нейронные сети без «понимания» их конечной цели. Просто в результате мутаций появлялись нейроны с новыми свойствами, увеличивалось их количество, возникали новые связи. Иногда это случайно приводило к появлению новых полезных качеств организма.
Попробуем схематично проследить эволюцию нейронных сетей.
У одноклеточных говорить о нервных клетках не приходится, однако у некоторых из них (как, например, у эвглены) появляются уже органоиды для восприятия раздражений из внешней среды (стигма, или глазок, у эвглены, хламидомонады и др.). Низкоорганизованные многоклеточные животные — губки — тоже не имеют нервной системы.
Впервые в эволюции специализированные нервные клетки появляются у гидры и других кишечнополостных. Нервные клетки кишечнополостных не отделены друг от друга синапсами и не объединены в нервную систему, а либо представляют собой отдельные разветвленные клетки, либо образуют нервную сеть, состоящую из клеток, соединенных между собой ветвистыми отростками. Импульс, возникший в одной части тела, может распространяться по всем направлениям во все остальные части организма. Нервные клетки гидры не дифференцированы на различные виды, а просто одни ветви нервной сети направляются к рецепторным клеткам, а другие — к сократимым. Однако уже у медуз и актиний отмечается тенденция к группировке нейронов в нервные цепочки. У них нейроны, как правило, соединены синапсами, наблюдается дифференцирование нервных клеток на сенсорные, соединительные и двигательные нейроны. В ходе дальнейшей эволюции нейроны, синапсы и нервно- мышечные соединения изменились мало.
У различных беспозвоночных нейроны и синапсы устроены в основном так же, как и у человека. Эволюционное развитие нервной системы выражалось в увеличении числа нервных клеток (нейронов), в дифференциации формы нейронов и их функциональной специализации, в усложнении межнейронных связей, в группировке нейронов с образованием узлов и, наконец, в централизации нервной ткани. Среди беспозвоночных наиболее развита нервная система у членистоногих (насекомых, пауков, крабов, омаров) и у головоногих моллюсков. У кальмаров и осьминогов наблюдается цефализация, то есть развитие головной капсулы, в которой сконцентрированы нейроны, управляющие поведением организма. У этих животных кроме головного мозга развивается нервный тяж, аналогичный спинному мозгу позвоночных. У кольчатых червей и у примитивных представителей членистоногих имеется по паре ганглиев в каждом сегменте тела, а у более высокоорганизованных ганглии сливаются в общий ганглий. Особенно высокого развития у членистоногих достигают органы чувств — сложные глаза, органы химического чувства, механорецепторы, органы слуха и др. Головной мозг и ганглии включают огромное число вставочных нейронов, выполняющих интегративные функции. Существует даже подсистема, аналогичная вегетативной нервной системе позвоночных, иннервирующая (связывающая с центральной нервной системой) сердце, пищеварительный тракт и главные эндокринные органы.
В связи с выходом на сушу и увеличением многообразия форм поведения у позвоночных животных продолжалось и усложнение нервной подсистемы. У позвоночных нервный тяж расположен на спинной стороне тела и имеет центральную полость, тогда как у беспозвоночных нервная цепочка расположена на брюшной стороне, под пищеварительным трактом, и не имеет полости внутри. У рыб, амфибий, рептилий, птиц и млекопитающих нервная трубка заключена в позвоночный столб, а из переднего отдела нервной трубки образуются отделы головного мозга, заключенные в черепную коробку. Начиная с амфибий, формируется кора головного мозга, наибольшего развития достигая у млекопитающих, особенно у человека. Основной план развития и строения нервной системы у всех позвоночных сходен, различия же касаются, главным образом, развития отдельных частей головного мозга и размеров последнего по отношению к размерам спинного мозга, формирования тесной связи между гипоталамусом и гипофизом (Томинский, 2002).
