|
|
Страница 106 - Разум природы и разум человека - А.М. Хазен - Философия как наукаСначала повторю промежуточные итоги. Электрическая составляющая при производстве энергии для метаболизма обязательна и содержит избыточность. Диссипация излишней энергии неизбежна. Она есть причина существования нервных систем и мозга. Их основу составляют специализированные клетки – нейроны. Метаболизм нейронов приводит к накоплению на их мембранах электрической энергии. Ветвление нейронов возникает как результат вклада электрической энергии в их энергию формы. Расходование накопленной электрической энергии не предполагает цели. В нейронах оно происходит путём деполяризации мембран. Любые взаимодействия тел и процессов в природе включают в себя волны. При деполяризации мембран нейронов это есть электромеханическая волна – нервный импульс. Общие принципы энергетики жизни и биохимический принцип структурной комплементарности гарантируют возможность “передачи” с помощью электрических импульсов веществ – нейромедиаторов. Реализует эту возможность химический синапс. Нейромедиаторы и химический синапс вводят “аппаратурную” особенность нервных систем и мозга, которой нет в современных компьютерах: циркулирующие в объёме организма вещества – нейромедиаторы – способны за счёт изменения своей концентрации влиять на пороги срабатывания при передаче нервных импульсов через химический синапс. Нейрон как аппаратурный элемент вычислительной системы в десятки и сотни миллионов раз отстаёт по параметрам от элементов современных компьютеров. Теперь, используя рассказанное выше о глазах и их сетчатке, пора ответить на вопрос – почему нервные системы и мозг столь эффективно работают на основе элементов, крайне несовершенных в сравнении с современными компьютерами? При ответе надо учесть, что клетки в организме группируются случайно в пределах ограничивающих условий. Например, они могут иметь осевую симметрию и сохранять её в процессе упаковки в слои и органы. Так группируются мышечные волокна или фоторецепторы сетчатки глаза. Случайность их взаимного расположения имеет в качестве условия эту симметрию, но в остальном остаётся случайностью – слои как отражение осевой симметрии каждой клетки сочетаются со случайностью распределения их в каждом из слоёв. Это характерная особенность упаковки многих видов клеток в мозге. Мозг в своей анатомии и в работе не может “бороться” против случайностей. Они должны быть основой его структуры и функционирования. Это возможно, если принципы работы мозга основаны на синтезе информации (см., главу I). Для того, чтобы мозг его мог осуществить, входные сигналы для него должны быть случайностями, ограниченными условиями. Обработка этих сигналов должна включать определение экстремумов энтропии-информации и её производства. Они должны запоминаться. Для такого синтеза информации случайность анатомической упаковки клеток становится необходимым условием работы мозга как единого органа. Рассмотрю синтез информации в мозге. Для определённости использую пример сигналов от сетчатки глаза как входных для мозга. Как было показано в главе VIII, неустранимо ответ сетчатки глаза на спроектированное на неё изображение есть случайные сигналы, описываемые их функцией распределения. Их конкретный вид зависит от объектов, спроектированных на сетчатку, и условий взаимной оптической и электрической корреляции для элементов сетчатки (см. главу VIII). Сигналы от глаз становятся эквивалентами спроектированных на сетчатку объектов в результате их взаимодействий в мозге с сигналами других органов чувств и метаболизмом организма в целом. Каждый орган и каждая его часть в любом виде жизни образованы неповторимой случайностью расположения клеток, ограниченной условиями. Это задано как принципами возникновения и эволюции жизни, так и законами онтогенеза. Мозг в этом не есть исключение. При этом сетчатка глаза как орган, например, у человека составляет часть его мозга. Она, как и мозг в целом, генетически несовместима с организмом и может выжить только под защитой барьера, иммунологически изолирующего мозг от его организма-хозяина. Пусть плоскость 1 на рис. 9.1 есть слой клеток мозга – нейронов, непосредственно соединённых с нервами 2, приходящими в мозг от глаз. Плоскости 3, 4 – другие слои нейронов. На рис. 9.1 для упрощения показаны только два таких слоя и не обсуждаются важные связи внутри слоёв типа тех, которые создают амакриновые клетки в сетчатке.
Нейроны, взаимодействующие в мозге с сигналами, например, от сетчатки глаза должны удовлетворять многим условиям. Законы формирования и распространения волн, которые есть нервные импульсы, делают наиболее вероятным их искажение типа насыщения – сохранения постоянной амплитуды. На этой основе возникает принцип взаимодействия импульсов в мозге ДА, НЕТ, ИЛИ. Но он не повторяет взаимодействия элементов в компьютерах. Природа и естественный отбор дополняют его вариациями случайностей связей и величины порогов срабатывания при операциях ДА, НЕТ, ИЛИ, которые задаются нейромедиаторной основой работы химических синапсов. При обработке сигналов в простых нервных системах, например, у муравьев и пчёл, отличия от описанного количественные, а не качественные. Выходной слой 4 содержит свои по видам и связям нейроны 5. Клеточная анатомия слоя 4, как и связи слоя 3 и 4, столь же случайны (под контролем условий), как и у предыдущих слоёв. Пусть элементы 5 в слое 4 обладают естественным для нейронов свойством – порогом срабатывания. Если сумма сигналов, поступающих по случайным связям от слоя 3 к данному элементу 5 превышает заданную величину, элемент 5 переходит в состояние, которое для определённости назову ДА. Если эта сумма меньше порога, то этому соответствует сигнал НЕТ. Выходные сигналы 6 поступают на вход типа 1 аналогичной схемы (иерархически старшей) и/или по связям 7 передаются внутренним органам и двигательным системам 8 в организме. Мозг может влиять на выживание, если синтез информации в нём может действовать на метаболизм и взаимодействия организма с окружающей средой. В этом мозг использует сигналы органов чувств. Они преобразуют характеристики окружающей организм и внутренней его среды (выраженные физическо-химическими свойствами и законами) в функции распределения нервных импульсов и состояний нейронов. Функции распределения на основе введенного А. Эйнштейном соотношения (8.1) определяют величину энтропии-информации. Взаимодействия между слоями 1 и 3 случайны. Условия для этих случайностей, в частности, заданы порогами срабатывания нейронов. Пороги зависят от поступления нейромедиаторов в синаптические щели химических синапсов. Воздействия 7 на органы 8 вызывают их ответ, сводящийся к электрическим импульсам и выделению нейромедиаторов. Действие, аналогичное нейромедиаторам, могут реализовать низкомолекулярные вещества, называемые нейропептидами. В некоторых случаях гормоны могут оказывать влияние на мозг по типу нейромедиаторов. Связи 9 передают вещества и сигналы из организма обратно в слои 3 и 4. В них происходят преобразования функций распределения сигналов нейронов и их состояний. Это (с участием разных видов связей 10 между слоями и внутри них) изменяет энтропию-информацию. Пространственная адресность связей 9 низкая – кровь омывает мозг в целом, а внешние и выделенные самим мозгом нейромедиаторы распространяются диффузионно, то есть с малой адресностью. Однако химическая специфичность нейромедиаторов высокая. Поэтому итогово связи 9 приближённо адресные. От концентрации нейромедиаторов зависят пороги срабатывания синапсов при передаче электрических нервных импульсов между нейронами. В слое 3 для случайных сигналов и состояний изменение порогов срабатывания означает изменение функции распределения состояний элементов этого слоя и их выходных сигналов. В частности, воздействия 9 индивидуально в каждом слое можно изменять так и до тех пор, пока в нём не установятся экстремумы величины энтропии-информации и её производства одного из типов рис. 1.2, 1.4. Поэтому с помощью нейромедиаторов, внешних по отношению к слоям и их синапсам, можно с помощью обратных связей типа 6 – 9 устанавливать для состояний и сигналов нейронов слоёв 3, 4 экстремумы энтропии-информации и её производства. Запоминание экстремумов энтропии-информации и/или её производства, сводка критериев которого приведена на рис. 1.2, 1.4, есть синтез информации. Энтропия-информация здесь определена по отношению к состояниям нейронов и их сигналам. Энтропия абстрактно-математически есть число. В реальной системе экстремумам энтропии-информации и её производства отвечают состояния элементов слоя 3 и их сигналы – нервные импульсы 6. Включим иерархически на выходе схемы рис. 9.1 аналогичную схему, входными сигналами 2 для которой являются выходные сигналы типа 6 предыдущей схемы. Она аналогичным образом на основе нейромедиаторов и их эквивалентов связана с метаболизмом организма в целом и сигналами его органов чувств. Нейромедиаторы в организме выполняют тормозные и возбуждающие функции. Связи 9 это есть обратные связи в том смысле, в котором они были пояснены в параграфе 9 главы VII. Возбуждающие нейромедиаторы в этих связях есть положительная обратная связь, а тормозные – отрицательная. Количество нейромедиаторов в организме порядка десятков. Химическое различие их свойств дополняется высокой селективностью, возникающей за счёт одновременного действия положительных и отрицательных (возбуждающих и тормозящих) обратных связей (параграф 9 главы VII). Как подчёркивалось, экстремумы энтропии-информации системы при большом числе её элементов всегда очень острые. Мозг имеет ~1011 нейронов. Число их связей на порядки больше. Эти количества гарантируют детерминизм экстремумов энтропии-информации. Как и в случае сетчатки (но в большей степени) многообразие типов нейромедиаторов и нейронов создаёт широкий алфавит функций распределения в мозге и синтезируемых с их помощью объектов в виде экстремумов энтропии-информации и её производства. Стремление к статическому максимуму энтропии-информации или к динамическим её экстремумам типа рис. 1.2, 1.4 есть самопроизвольный процесс. Это гарантирует воспроизведение в поколениях и работоспособность мозга как схем типа рис. 9.1 и их последовательно-параллельных групп. В примере зрения экстремум энтропии-информации для случайных состояний элементов 5 – это есть объект, созданный в мозге на основе сигналов глаз, например, “вишня” (см. пример в параграфе 7 главы VII). Элементы 5 и их состояния реально существуют в мозге, но не имеют конкретного адреса, подобного номеру ячейки в памяти компьютера. Кроме того, состояния нейронов, отвечающие данному входному воздействию (например изображению, спроектированному на сетчатку), теряют прямые физико-химические связи с объектом. Физический процесс установления экстремумов энтропии-информации математически описывает процедура нормировки энтропии. Она положена в основу метода максимума энтропии Е. Джейнса [146]. Его развитие дано Г. Хакеном в [147]. Синтез информации в задачах возникновения и эволюции жизни и разума на основе нормировки энтропии подробно рассмотрен мною раньше [3], [4]. В параграфе 9 главы I нормировка энтропии использована для введения энтропии как функции комплексного переменного. Взаимодействия мозга и организма на основе связей 9 рис. 9.1 есть материализованная процедура нормировки энтропии как функции комплексного переменного. Этим для мозга разделяются логика (как отображение действительной части энтропии-информации) и собственно синтез новой информации. Соотношение этих составляющих работы мозга описывает семантический коэффициент (1.30). Нейромедиаторные связи типа 9 действуют не только между организмом и мозгом, но также в виде 10 между слоями нейронов в мозге и внутри них. Запоминание статических и динамических экстремумов состояний и сигналов нейронов в мозге есть отражение окружающей природы мозгом. Оно происходит внутри него, но включает в себя комплекс реакций организма в целом. К сожалению, мало опубликованной литературы о механизмах запоминания в мозге и в нервных системах. Важен факт – мы сами существуем, плохую или хорошую память имеем, а это значит, что слои и элементы типа рис. 9.1 в мозге работают и их состояния запоминаются. Условие, определяющее свойства нейронов (как запомненного иерархически раньше случайного выбора) – пороги срабатывания. Но именно они необходимы в рамках схемы рис. 9.1 для реализации принципов её работы. Главное требование в этом есть случайности связей. При образовании мозга как “конструкции” (или его предшественников в простейших нервных системах) естественный отбор генетически запоминает параметры нейронов – функции распределения ветвлений, типы синапсов, пороги срабатывания. Это делает высокой вероятность случайного возникновения работоспособной конструкции типа схемы рис. 9.1. Такая реализованная схема даёт преимущества для индивидуума, то есть для запоминания путём выживания выживающих. Выходные сигналы элементов 6 слоя 4 в схеме рис. 9.1 подобны сигналам, действующим первично на её входе 1. Поэтому блоки рис. 9.1 становятся функциональными вычислительными элементами мозга. Генетически запоминается иерархическое повторение этой схемы. Оно не тождественно по элементам, их связям, взаимодействиям с организмом в целом. Но принцип случайности связей и роли нейромедиаторов в установлении экстремума энтропии-информации как характеристики состояний некоторого слоя нейронов – универсальны. И так многократно в филогенезе, а потом в онтогенезе. Итог этого и есть мозг человека как сформировавшийся в результате естественного отбора орган. Его структуру и работу отображают такие же последовательности иерархических плоскостей синтеза информации, какие характерны для эволюции жизни. Эта иерархия двойственная. Одна система плоскостей отражает иерархию образования мозга как органа с его отделами. Работа мозга, как было пояснено выше, есть иерархическое продолжение принципов его анатомической реализации. Поэтому плоскости синтеза анатомической информации находятся в соответствии с иерархией синтеза информации как обработки информации в мозге на основе сигналов взаимодействия его нейронов и с органами чувств. Но отображающие эту иерархию плоскости иные. Важно подчеркнуть. Схема рис. 9.1 как иллюстрация основного вычислительного блока в мозге основана на экстремумах, осредняющих случайности. Поэтому она принципиально нечувствительная к локальным единичным повреждениям нейронов и их взаимных связей. Именно это наблюдается реально в работе всех видов нервных систем и мозга в его разных реализациях вплоть до человека. Естественно, что схема рис. 9.1 очень сильно упрощенная. Реально число слоёв, которые передают сигналы, больше. Исключительно важны латеральные связи типа реализуемых амакриновыми клетками в сетчатке. Они вводят в работу мозга функции корреляции. Но это только подчеркивает неустранимость случайностей состояний и связей как основы анатомического воспроизведения и работы мозга. Введенный порогами принцип ДА, НЕТ, ИЛИ в мозге универсален. Одновременно он есть основа законов логики. Когда этот принцип используется для выходных сигналов элементов мозга (типа комплекса в виде схемы рис. 9.1) возникает та логическая обработка информации в мозге, которая наиболее выражена у человека. Как подчеркивалось в главе VII параграф 7, пороги вводят логические законы и на самом младшем уровне иерархии энтропии-информации, на котором взаимодействуют единичные нейроны. Между этими альтернативами принцип ДА, НЕТ, ИЛИ участвует как вспомогательный инструмент. Элементы мозга не повторяют элементарные ячейки компьютера. Логика компьютера иначе входит в первичные принципы работы мозга. В терминах физики логика есть наука, в основе которой лежат функции состояния (они были подробно рассмотрены в главе VI). В работе логики в мозге на первый план выходит абстрактный аналог энергии и его взаимодействия с энтропией-информацией как физической переменной. Это непривычно, но бесспорно. Огромное число нейронов в мозге гарантирует остроту экстремумов энтропии-информации и её производства, которые образуют принцип работы мозга рис. 9.1. Энтропия-информация как физическая переменная есть функция комплексного переменного. Работа нервных систем и мозга в этом не исключение. Иерархия синтеза информации в мозге неустранимо содержит в себе действительную часть (логическую обработку информации), описываемую в терминах функций действительного переменного, и собственно информацию, которая есть мнимая составляющая полной информации. В результате синтез информации и её преобразования в мозге однородно основаны на тех же принципах и законах, что и везде в природе, начиная от возникновения Вселенной. Это важнейшее для работы мозга и её результатов, для познания человеком природы. Экспериментальные факты о работе мозга человека исчерпывающе доказывают реальность введеных выше принципов работы мозга, хотя их, как правило, так не используют. Пример воздействия на мозг сигналами глаз. Человеку одевают очки с призмами, переворачивающими изображение. Его ориентация нарушена. Он носит их постоянно некоторое время. Окружающие его предметы восстанавливают своё нормальное положение. Аналогичный пример воздействия на мозг через органы слуха. Человеку многократно на магнитофоне проигрывают фразу с командами, подлежащими выполнению. При этом движение ленты в магнитофоне задают наоборот. В полученных звуках, казалось бы, невозможно услышать общее с той фразой, что продиктована первично. Однако в итоге человек, прослушав только обращённую во времени запись, начинает выполнять те действия, которые предписаны этой фразой. Зададим вопрос – что остаётся тождественным в прямом и перевёрнутом изображении, во фразе, проигранной правильно и наоборот во времени? Ответ – остаются тождественными функции распределения, экстремумы энтропии-информации и её производства, функции автокорреляции! Язык органов чувств и мозга – это и есть функции распределения, функции корреляции, экстремумы энтропии-информации и её производства. В случае стационарных случайных процессов (а отображение объектов или звуков таково) прямой и перевёрнутый объект тождественны на языке функций распределения, функций корреляции, экстремумов энтропии-информации и её производства. Меняется только сигнал их связи как целого с пространством и временем – верх-низ, вперёд-назад во времени. Поэтому органы чувств и мозг воспринимают прямое и перевёрнутое изображение или прямой во времени и обратный звук как тождественные. Единственное необходимое дополнительное обучение мозга – путём сопоставления с реальностью установить новую привязку “символов языка” мозга. Например, для зрения мозг человека это делать умеет. Ведь люди спокойно, а иногда и быстро, читают текст, который лежит перед ними “вверх ногами”. Для звуков у людей нет такой обиходной практики, но отличие прямых и обратных звучаний на языке органов слуха и мозга столь ничтожно, что обучение возникает самопроизвольно. Как видите, даже общеизвестных результатов о сопряжении сигналов органов чувств и мозга достаточно для исчерпывающего доказательства основного факта – функции распределения, корреляции случайных сигналов, экстремумы описывающей их энтропии-информации и её производства есть те объекты, с которыми работают нервные системы и мозг. Несомненно, что объяснение работы органов чувств и мозга, которое дано в [2] – [11] и в этой книге, откроет и другие возможности передачи в мозг сигналов, использующие его натуральный язык – функции распределения, корреляции, экстремумы энтропии-информации и её производства. В частности, отмечу статьи [58] – [61]. Ещё раз подчеркну, что огромное число элементов и их связей в мозге филогенетически запомнено потому, что гарантирует детерминизм его работы в виде остроты экстремумов. Память в мозге не выражается запоминанием состояний конкретных нейронов. Это есть память, аналогичная симбиозу клеток в конкретной экологической нише. Схемы типа рис. 9.1 в мозге формируют экстремумы. Они есть комплекс физико-химических условий, создающий “экологическую нишу”. Память мозга (как устойчивое воспроизведение состояний и взаимодействий нейронов) подобна памяти о совместном функционировании клеток любого органа (печени или почек и подобного). Память мозга – это сообщество клеток и их связей, которое запомнено как таковое, в комплексе. Отличие в том, что, например, в почках или печени образуется симбиоз простых по форме и взаимным контактам клеток, а нейроны имеют огромное количество дендритов и аксонов, а потому объект запоминания есть состояния и положения комбинаций статических и динамических связей между нейронами – одни и те же нейроны способны реализовать астрономические количества взаимных связей как конкретный “печёночный симбиоз”. Симбиоз нейронов с участием их синапсов в экологической нише – это есть память в мозге. Изложенное выше не опровергает огромного материала о нейронных сетях (для технических устройств и абстрактных постановок задач), который накоплен в настоящее время. В терминах этой работы описания нейронных сетей относятся к действительной компоненте комплексной энтропии-информации в мозге. Некорректность в литературе о нейронных сетях та же, что и при описании зрения – случайности вводятся по типу “матового рассеивателя” в упорядоченных взаимодействиях. Это не так. Случайности есть принципиальная основа мозга. В главе о зрении я вводил при описании оптических преобразований понятия из области голографии. Поэтому должен подчеркнуть, что нередкие предложения голографических принципов как одной из основ работы мозга есть заблуждение, возникающее из непонимания существа голографии. Она есть именно и только реализация в виде инженерных устройств основополагающего для волновой оптики принципа Гюйгенса-Френеля (см. [139]). Волновые процессы в мозге существуют в частных случаях синхронизации работы многих нейронов. Принцип Гюйгенса-Френеля справедлив для них. Но они сами имеют вспомогательное значение для работы мозга и нервных систем. Ссылки на нечувствительность голограмм к локальным повреждениям и сопоставление этого с особенностями мозга так же отношения к работе мозга не имеют. Работа мозга устойчива к локальным повреждениям и сбоям потому, что в её основе лежат экстремумы энтропии-информации и её производства. Они возникают как осредненение огромных чисел состояний элементов системы и их связей между собой, а потому нечувствительны к локальным повреждениям и сбоям. Важно отметить направление в развитии вычислительных систем, которое признаётся труднее, чем исследования нейронных сетей – работы Д. Эдельмана [148] уже ввели в вычислительные машины принципы и методы дарвиновского естественного отбора. Они используются на уровне практических устройств. Этот путь в вычислительной техники развивается. Это исключительно важное и продуктивное направление, но опыт биологии показывает, что само понятие дарвиновского естественного отбора нуждается в уточнениях. Они сделаны в этой работе. В частности, как будет показано в следующей главе, в них содержится ответ на вечный вопрос – почему человек может познавать окружающую природу и себя самого? Впервые ввёл понятие об обработке информации в мозге по типу схемы, похожей на рис. 9.1, Ф. Розенблатт [149]. Он назвал такие устройства персептронами. Они есть иллюстрирующая частная схема. В ней связь с экстремумами энтропии-информации и её производства выражена неявно. Связь с ними принципов работы мозга введена в моих работах [2] – [10] и в этой книге. Почему мозг воспроизводится в поколениях? Ответ уже есть в изложенном и остаётся его только повторить – Мозг воспроизводится в поколениях потому, что нейроны и их связи растут случайно, а именно случайность расположения нейронов и их связей (в пределах характерных для них условий) необходима для эффективной работы мозга. Категория: Библиотека » Философия Другие новости по теме: --- Код для вставки на сайт или в блог: Код для вставки в форум (BBCode): Прямая ссылка на эту публикацию:
|
|