Как работает мозг

Элементная база

2011-10-31T09:46:30+00:00

*Эта статья - часть цикла статей об общей концепции работы мозга. Их следует рассматривать исключительно в совокупности.*

"Элементная" база мозга весьма однообразна...

Гораздо менее разнообразна, чем ассортимент электронных компонентов...

И хотя нюансов множество, все разнообразие можно свести к трем логическим элементам: рецептору, нейрону, эффектору и проводу - нервному окончанию.

Нервное окончание.

Очень похоже на обычный кабель в изоляции, чем и является...

Рецепторы.

В логическом смысле все рецепторы - кнопки или датчики. Внешняя среда, влияя на рецептор, заставляет вырабатывать электрический импульс, который передается по нервному окончанию к подключенному нейрону.

Эффектор

Нарисован в правом нижнем углу картинки.

Выделяет под действием электрических импульсов нейромедиаторы, которые заставляют сокращаться или расслабляться мышцы.

Аналогичен электромагнитному реле, или электромагниту, или лампочке, или электромотору... Всему, что переводит электрический импульс в физическое движение.

Нейрон

Нейрон чуть сложнее провода с выключателем... Это аж взвешенный сумматор!

Логика работы нейрона такова:

Если сумма внешних сигналов превышает порог возбужения нейрона, он возбуждается.

Внешние сигналы суммируются с весовыми коэффициентами, "прописанными в синапсах".

После возбуждения синапсы, учавствовавшие в возбуждении, модифицируются в сторону увеличения веса.

Питерский независимый исследователь Андрей Никанкин честно промоделировал работу нейрона как мембраны с учетом топологии подключения внешних точек на дереве... Доклад

Резюме такое: Во всех практических задачах можно смело рассматривать нейрон как взвешенный сумматор...

Влияние элементной базы на архитектуру информационной системы

С точки зрения понимания того, как эта элементная база работает в мозгу, очень полезно иметь подробное представление об элементной базе и архитектуре цифровой, аналоговой и гибридной вычислительной техники.

Этот невеликий и скромный перечень элементов накладывает сильные ограничения на то, как может быть организована система. Например, то, что память системы расположена в синапсах и "размазана" по всему мозгу, понятно и без последней картинки. Ей просто негде больше быть...

{jcomments on}

Отрицательна обратная связь

2011-10-31T11:03:30+00:00

Для целостного понимания работы мозга Важно учитывать, что работу мозга имеет смысл рассматривать только в целом с внешней средой.

Мозг - это информационная система, управляющая взаимодействием тела с внешним миром.

"Внешняя среда - тело - мозг - психика (как информационная система) - мозг - тело - внешняя среда" связаны в кольцо отрицательной обратной связи.

Т.е. общая реакция организма - компенсировать влияние внешней среды.

У животных с простейшей нервной системой она представляет собой "короткое замыкание проводов".

Прелесть на картинке как раз из таких...

Суть такой нервной системы - общий ответ на любой единичный раздражитель.

Что, согласитесь, не самая эффективная стратегия.

У более сложных животных вместо короткого замыкания появляется логическая функция. Даже функция со свойствами памяти.

А человек отличается от развитых животных единственно объемом логических элементов.

Вообще, очень интересно почитать про животных с простейшей нервной системой, дабы понять, как это все начиналось.

Но наиболее важно то, что существует информационный поток через информационную систему и он обладает двумя важными свойствами:

промодулированностью структурой внешней среды
отрицательной обратной связью системы

Благодаря этим двум свойствам внутри мозга в нейросети образуется структура, которую можно назвать внутренним отражением реальности.

Именно на основании этого отражения происходит принятие и исполнение всех решений, всех действий организма.

{jcomments on}

Память

2011-11-22T02:17:48+00:00

Было бы неплохо, если бы читатель знал, как устроена память в компьютерах...

Уровень 1. Ячейка памяти

В цифровой технике, на нижнем уровне, информация обычно хранится в бинарных ячейках. "0" или "1" Т.е. есть черный ящик(триггер), на выходе которого контакт с напряжением нулевого или единичного уровня. А при помощи управления на входе можно установить выход в одно из этих состояний.

Аналогичный элемент в мозгу - синапс. Он хранит не битовое значение, а вес связи, которая этим синапсом оканчивается, или весовой коэффициент.

В чисто цифровой технике аналог синапса - регистр:

Регистр хранит не единичный бит, а несколько бит (n), которые управляются общей логикой и могут кодировать число состояний 2 в степени n.

В синапсе аналогичное устройство реализовано в аналоговом виде.

Исследования процессов запоминания показали, что, в общем случае, вес синапса (или "аналоговое число", которое в нем хранится) растет пропорционально тому, как часто этот синапс участвует в возбуждении нейрона. Вес синапса растет вместе с ним. Вот еще раз картинка про это...

Уровень 2. Доступ к ячейкам памяти

В процессах памяти важным является не столько то, как происходит запоминание, а сколько то, как происходит доступ к информации.

Для лучшего понимания того, как это происходит в нейросети, начнем рассмотрение с того, как это происходит в стандартных компьютерах.

В компьютерах данные хранятся в виде огромного массива одинаковых ячеек. В рамках этого массива все данные просто хранятся.

Вся обработка данных происходит в процессоре.

Процессор знает адрес, по которому лежат нужные данные.

Процессор извлекает нужные данные.

Процессор знает, как их необходимо обработать и куда поместить результат.

Важной частью данной архитектуры работы с памятью являются шина адреса и данных (см. картинку).

Именно они позволяют процессору добраться до нужной ячейки.

В нейросети совершенно другая архитектура.

Данные хранятся и обрабатываются по месту хранения в синапсе. Актом "обработки информации" является возбуждение нейрона и рост синапса.

Более всего это похоже на дорожную сеть, состоящую из дорог различной ширины.

Нейроны - перекрестки. Толщина линии пропорциональна весу синапса.

Важны топология и ширина дороги.

Топология сети не случайна. Внешний поток - не белый шум. В нем есть структура. Конфигурация нейросети - продукт этого внешнего информационного потока. Он создает эту конфигурацию, как вода большой реки создает дельту...

Для полноты картины, вставим нейросеть в организм, а его - в реальность:

Уровень 3. Осознанная память.

Эта часть пойдет отдельным блоком после описания механизмов сознания.

{jcomments on}

Подсознание.

2011-12-20T15:06:01+00:00

Собственно, основная идея уже практически полностью описана в статье про память.

Мозг человека получает информацию от внешней среды через рецепторы.

И этот информационный поток "протачивает" русла "информационных" рек.

Достигает эффекторов.

И замыкает через реальность кольцо отрицательной обратной связи.

Топология, кстати, не такая как в Москве...

Нейросеть отражает окружающую реальность. Каждый нейрон имеет свой специальный смысл. Отвечает за свою крохотную часть этой реальности. Иногда даже удается этот смысл определить. Совсем просто с нейронами, к которым подключены рецепторы и эффекторы. Это сответствие однозначно. По мере углубления в нейросеть уровень абстракции возрастает. В зрительной коре живут нейроны, отвечающие за образы, в зоне Брока - за речь, в лобных долях - за сложные интеллектуальные понятия.

В общем виде, выглядит это примерно вот так:

Эта гипотеза нашла кое-какие практические подтверждения.

Академик Костя Анохин рассказывал про несчастного эпилептика, которому ковыряли кору в лобных долях с целью найти нейрон, отвечающий за приступы. Его не нашли... Зато нашли нейрон, который откликался на все подряд, связанное с известной актрисой Холли Берри..

Фотки, рекламы фильмов, костюмы, надписи, и все такое... Случайно, но попали..

А вот в следующем случае мало того, что попали не случайно... вообще сделали из обезьяны настоящего киборга.

Американские ученые из Питтсбургского университета и Университета Карнеги-Меллона провели эксперимент, в ходе которого обезьяны научились управлять механической рукой с помощью сигналов своего мозга. Работа исследователей опубликована в журнале Nature. Коротко ее результаты изложены в газете The New York Times.

Манипулятор был закреплен возле левого плеча подопытных обезьян, лапы которых были зафиксированы так, чтобы они не могли двигаться. В течение нескольких дней обезьян обучали управлять движениями механической руки. В итоге их мозг научился воспринимать ее как "свою". Животные могли не только брать пищу, доносить до рта и отпускать, но также они научились очищать "пальцы" манипулятора от прилипшей пастилы и отщипывать от предлагаемых лакомств небольшие кусочки.

Для того, чтобы сигнал от мозга обезьян передавался манипулятору, ученые ввели в двигательную кору животных около ста электродов. Все электроды, каждый из которых передавал компьютеру сигнал от одного нейрона, располагались в части коры, отвечающей за движения рук. Компьютер анализировал поступавшие от электродов сигналы, "определял", что это за команда и передавал их манипулятору.

Это не первый эксперимент такого рода. Ранее ученые показали, что движениями джойстика на экране можно управлять, используя мозговые сигналы парализованных людей. Кроме того, американские и японские ученые провели эксперимент, в котором мозговая активность обезьяны, ходившей по беговой дорожке, воспринималась и интерпретировалась роботом, который, в итоге, точно копировал ее движения.

Однако, в данном эксперименте ученым удалось показать, что мозг способен воспринимать внешний предмет как часть тела. Путем тренировок можно заставить мозг научиться управлять им так же свободно, как и "родными" конечностями.

Отсюда: Про обезян

Про классику исследований, когда при поражении определенной части мозга терялись определенные функции, повторять не буду.

Напомню только про то, что часто уцелевшие отделы мозга берут на себя функции пораженных. Со временем... Вода дырочку находит...

Таким образом, когда возбуждение передается от одного нейрона к другому, происходит переход от одного элемента отражения к другому. Работает ассоциативная связь.

{jcomments on}

Сознание

2011-12-20T15:11:55+00:00

Механизм сознания неразрывно связан с бодрствованием и вниманием.

На картинке ниже из "Функции человеческого тела" Гайтона, нарисованы два основных цикла переключения внимания.

Центр борствования задает ритм, с которым таламус "опрашивает" лобные доли. Наиболее активная зона "провоцирует" дополнительное возбуждение (Oscillating cycle 1) этой зоны. За счет этого возбуждения зона начинает доминировать и "генерировать" контроль над моторными функциями организма. Это то, что называется доминантой Ухтомского.

Доминирующее возбуждение истощает нейроны в эпицентре, они начинают реже возбуждаться и при следующем "сканировании" таламус определяет как наиболее важную другую зону. Доминанта перемещается. Это перемещение доминанты - перемещение фокуса внимания.

Второй цикл, управляющий фокусом внимания, связан с тонусом дыхательной мускулатуры. Сокращения дыхательных мыщц провоцируют новое сканирование и переключение внимания. Этот важный нюанс определяет связь концентрации внимания и дыхания.

Памятуя о том, что каждый нейрон отождествлен с некоторой сущностью в реальности, переключение доминанты - переключение фокуса внимания с одной сущности на другую. Или ход мысли.

Или если нарисовать только переходы:

Переключение внимания может отражать одну из двух тенденций: внутреннюю или внешнюю.

Внутренняя тенденция связана с истощением нейронов в "эпицентре" и переходом внимания на "географически соседний" образ.

Внешняя тенденция связана с переключением на появившийся новый и более важный стимул.

Или так...

{jcomments on}

Эмоции

2012-01-04T07:11:23+00:00

*Эта статья часть цикла статей об общей концепции работы мозга. Их следует рассматривать исключительно в совокупности*

Передача импульса от одного нейрона к другому в синапсе происходит при помощи нейромедиаторов.

Нейромедиаторов известно несколько десятков. Каждый синапс в большей или меньшей степени использует определенный вид нейромедиатора. Если концентрация данного нейромедиатора высока, то передача возбуждения происходит легче. Меньше - труднее.

Таким образом, текущие уровени нейромедиаторов определяют текущую топологию нейросети.

Железы, которые вырабатывают нейромедиаторы, в свою очередь, стимулируются возбуждениями соответствующих зон в нейросети.

Таким образом, получается кольцо отрицательной обратной связи нейромедиаторной регуляции.

В целом схема выглядит так:

Образы и сигналы из внешней среды возбуждают соответствующие зоны мозга. А те, в свою очередь, передают возбуждение в центры эмоциональной системы, ассоциирующиеся с образами. Эмоциональные центры стимулируют выработку нейромедиаторов и те поступают в мозг. "Проводящие" свойства синапсов меняются - меняется топология сети. Меняются маршруты возбуждений и связанные с ними стратегии поведения.

Для примера - картинка с реакцией на пожар...

Данная система регуляции привязывает внутренние состояния организма к внешнему миру. Фактически можно говорить о том, что каждый нейромедиатор выполняет свою регуляторную функцию. На данный момент это соответствие - не самое изученное место в нейронауках, но в общих чертах это выглядит так:

Серотонин и все с ним связанное отвечает за общую активность организма. За разницу между сном и бодрствованием.

Дофамин отвечает за выбор между "хорошо" и "плохо". За выбор правильных стратегий.

Эндорфины отвечают за эйфорические состояния. Эта система призвана на время отключать "рациональные мозги" в нестандартных обстоятельствах.

Адреналин отвечает за реакцию, вызванную для компенсации страха. Вообще, они с эндорфинами в одной связке работают. Сначала - адреналин, а потом - эндорфины.

Остальное я опустил как менее принципиальное для общего понимания значения нейромедиаторов.

{jcomments on}

Уровни функций психики

2012-01-04T14:17:01+00:00

Большинство АйТишников знакомо с 7-ми уровневой моделью передачи данных, OSI (Open System Interconnection — взаимодействие открытых систем).

Суть идеи в том, что существует иерархия функций. Функции верхних уровней реализуются при помощи функций нижних уровней.

Уровни функций психики.

Уровень возбуждений. Ввод, вывод информации. Модификация топологии сети.
Уровень идентификации. Запоминание, распознавание, синтез реакций.
Уровень оценок. Иерархия, сортировка, взаимооценка информации.
Ассоциативный уровень. Ассоциирование сущностей между собой.
Уровень последовательной обработки. Последовательность перемещений фокуса внимания.
Уровень стереотипных реакций. Запоминание и повторение последовательностей перемещения фокуса внимания и ассоциированной моторики. В том числе распознавание звуков речи.
Уровень объектов и методов. Ассоциирование объектов, оценок и контекстов с методами реагирования.
Уровень исследования и обучения. Применение имеющихся методов к новым объектам, получение новых объектов, методов и оценок. Коммуникация.
Уровень пространства. Понятие пространства и расположения в нем предметов.
Линейный уровень. Понятие последовательности действий, простого алгоритма, время, иерархия.
Ролевой уровень. Понятие независимых процессов, правил, комбинаторика.
Уровень синтеза. Абстракции, виртуальные сущности и мир, гипотетическое, возможности.
Системный уровень. Понятие системы, скрытых зависимостей и взаимодействий, законов.
Уровень открытых систем. Поиск границ и законов внешних систем.

{jcomments on}