КОНЦЕПЦИИ ФОРМИРОВАНИЯ НЕЙРОБИОНИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ И НОВЫХ ПОДХОДОВ К ИЗУЧЕНИЮ ГОЛОВНОГО МОЗГА

Научная сессия МИФИ-2005 «Интеллектуальные системы и технологии» Сб. научных трудов т.З стр.80-82

В.Б. ВАЛЬЦЕВ, В.В.ЛАВРОВ, В.И. ПУХ 7.1 В

Институт физиологии им. И.П. Павлова, Санкт-Петербург

Институт проблем безопасности и устойчивого развития, Москва.

КОНЦЕПЦИИ ФОРМИРОВАНИЯ НЕЙРОБИОНИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ И НОВЫХ ПОДХОДОВ К ИЗУЧЕНИЮ ГОЛОВНОГО МОЗГА

Аннотация

На имитационных моделях проанализирована работа модуля и системы модулей ассоциативной коры больших полушарий головного мозга. Показано участие модуля в генезе основы интеллектуальных функций (памяти, потребности, доминанты, различных форм условного рефлекса), в дифференцированном распределении информационных и регуляторных сигналов в структурах мозга. Продемонстрировано обеспечение работой системы модулей автоматизированной смены последовательности решаемых задач с учётом их приоритетности, срабатывание механизмов, обеспечивающих оптимизацию функций системы при переходе в незнакомую среду и др. Показана возможность решения принципиально различных задач сходными по своей конструкции моделями. Обосновывается возможность использования полученных данных для совершенствования методов анализа специфики работы головного мозга, теоретических и практических разработок искусственного интеллекта на имитационной основе, повышения эффективности работы комплекса методик автоматизированных экспертных систем, создания концепций формирования новых нейробионических технологий - в частности решения проблемы расширения и универсализации функций в фиксированной конструкции модели и др.

1.Нейробионические аспекты задач исследования .

Становится всё более очевидным, что, по-видимому, основным тормозом на пути эффективного развития нейробионики, сдерживающим исследования нейро-биологии, теоретическое развитие и внедрение нейробионических разработок, а также малое использования нейробионики как эффективного метода изучения самого мозга является недостаточное внимание к разработке стратегии синтеза достижений биологии и техники.

Недостаточно осознанно то, что накопленными к настоящему времени данные биохимии, биофизики, физиологии нейроморфологии, нейропатологии и их всё большей систематизацией уже создана реальная возможность перехода (основа для перехода) от общих теоретически верных, но практически нереализованных посылов нейробионики прошлого к созданию реальной возможности прорыва в теоретических и практических работах в этом направлении.

Показателем этого является неоправданно малый удельный вес использования данных о работе реального мозга в сравнении использованием математических и кибернетических методов при решении проблем нейробионики

Недоучёт данных о специфике конструкции и параметров процессов в нейронах разного типа, особенностей связей между ними, универсальных свойств нейросетей реального мозга приводит к тому, что уже отдельные части мозга обладают значительно большими функциональными возможностями, большей надёжностью, эффективностью и большей универсальностью при выполнении сложных функций в сравнении с достигнутым уровнем технических разработок.

Это же является причиной не координированности большинства работ по моделированию функций нервной системы, излишних затрат на их проведение и причиной того, что многие быстро устаревают.

Для биологов и медиков особенно важным является прежде всего анализ работы имитационных моделей мозга.

Недостаточное и использование большинством биологов и медиков возможностей быстрого и точного анализа на имитационных моделях механизмов и закономерностей работы разных структур головного мозга замедляет получение данных о работе самого мозга, о механизмах его патологии, снижает эффективность целенаправленного поиска и разработки новых методов и средств терапии Нарушение же архитектуры моделей имитирующих нарушения мозговых функций - эффективный инструмент анализа механизмов патологии мозга, а исследование их восстановления может способствовать более целенаправленному поиску и эффективной разработке и поиску новых методов и средств терапии).

Настоящая работа посвящена содержательному анализу части этих общих проблем.

Целью работы был синтез знаний о базовой и системной организации структур и функций в разных частях периферической и центральной нервной системы и нейрональных механизмов регуляции, оптимизирующих их работу в различных условиях их деятельности. Внимание было уделено построению и анализу работы имитационных моделей, использующих данные о механизмах, закономерностях, принципах организации и регуляции функций мозга.

Приводятся результаты экспериментального и модельного анализа информационных и управляющих сигналов и функций на имитационных моделях и в экспериментах, в микромодулях и системе микромодулей ассоциативной коры больших полушарий, ответственной за генез, координацию и реализацию сложных выходных функций мозга.

2.Базовая основа организации и регуляции функций ассоциативной коры.

Микросеть модуля ассоциативной коры, построенная из 8 типов элементов, является базой для генеза широкого комплекса разнообразных сложных корковых функций.

Имитационная микросеть, максимально сближенная с конструкцией модуля ассоциативной коры, является механизмом генеза и реализации функций памяти, потребности, доминанты и различных форм условного рефлекса, составляющих основу интеллектуальных процессов мозга.

В самом модуле основные механизмы генеза и проявления этих функций локализованы в его выходном элементе, интегрирующем процессы со всех слоев ассоциативной коры. Это позволило обосновать и ввести понятие «интеллектуальный нейрон» (1).

Доминирующее значение для возникновения и параметров самих функций модуля имеет величина регулирующих влияний потребности поступающих в модуль и влияющих на возбудимость его выходного элемента.

·         в отличие от проекционных зон коры, генез сложных функций в модуле ассоциативных зон на информационные сигналы реализуется только при поступлении на него регулирующих воздействий потребности.

·         от динамики потребности зависят постановка задачи, определение стадий её выполнения, определение момента её окончания, снятие реакций на стимулы потерявшие актуальность.

·         Специфика функций микромодуля ассоциативной коры во многом связана с развитием в нём тормозных процессов:

·         торможением в модуле устраняются ошибочные реакции в недостаточно обученной системе;

·         вытормаживание низкочастотных сигналов при сохранении высокочастотных увеличивает их информационную значимость и повышает точность, надёжность и эффективность выполняемых функций, вызывает переход к разным формам пачечной активности, ответственной, как известно, за реализацию наиболее сложных функций мозга.

Модуль помимо генеза широкого набора сложных функций за счёт различной проводимости ветвей аксона выходного нейрона осуществляет раздельное поступление к разным структурам мозга информационных и управляющих сигналов.

Функции модуля реализуются через сложное пространственно-временное распределение информационных и комбинации информационных и управляющих сигналов в ветвях аксона выходного нейрона модуля, которые обеспечивают закономерности пространственно-временного распределения процессов и функций в разных структурах мозга.

Микромодуль помимо генеза комплекса сложных функций является одновременно источником различной информации, регуляции и пространственной организации сложных функций в разных частях мозга, состоящих из большого числа элементов, получающих от него разную импульсацию. Регулирующие (фоновые) и информационные (в основном пачечные) сигналы могут быть раздельно реализованы в разных частях последующих нейронных сетей.

В ветвях аксона выходного элемента модуля показано поступление к последующим элементам по одним ветвям только высокочастотной короткой информационной сигнализации. По другим ветвям к последующим элементам совместно передаётся фоновая относительно монотонная импульсация, регулирующая возбудимость последующих элементов и пачечная информационная импульсация разной частоты. - по одним передаются только высокочастотные информационные сигналы, по другим одновременно управляющие сигналы и широкий спектр информационных сигналов.

В первом случае реакция структур, связанных с выходом модуля определяется поступлением на них высокочастотных сигналов; во втором -одновременным поступлением фоновой низкочастотной импульсации, регулирующей возбудимость и широким спектром частот ( в том числе и высокой частоты) информационных сигналов.

За счёт этого в одном и том же отрезке времени специфика функций разных мозговых структур может определяться дифференцированным поступлением на них разных по своим свойствам сигналов от одного модуля.

3. Взаимодействия функций в ассоциативной , коре

Взаимодействие модулей обеспечивает дальнейшее расширение функций ассоциативной коры. За счёт него реализуется ранжировка задач по критерию их актуальности, постоянная смена последовательности решаемых задач с учётом их приоритетности, автоматическая мобилизация по механизму доминанты имеющихся средств для ликвидации критической ситуации в возможно короткий срок, срабатывание механизмов, обеспечивающих оптимизацию работы системы при переходе в незнакомую среду.

Эти и другие функции системы из нескольких микромодулей в процессе обучения создают возможность управления сложными системами в условиях недостаточной или избыточной информации и в условиях шумовых помех.

Особенностью работы сетей, состоящих из нескольких модулей, является возможность одновременного решения нескольких задач совмещённых во времени (по одной в модуле), но реализация в сети только функций доминирующего модуля, посылающего запрет на выходные функции других модулей. Этим повышается надежность, точность и быстродействие работы системы при выполнении многокомпонентных задач.

4. Значение модулей и системы модулей ассоциативной коры для решения теоретических и практических задач нейробионики, физиологии головного мозга и построения искусственного интеллекта.

Имитационная модель из 7 - 10 интегрирующих нейронов, выполняющих основную функцию в модуле и взаимодействие между модулями, решала задачи оптимизации розничных и оптовых цен с учетом их биологической и социальной потребностей у различных групп населения с учетом конкурирующих торговых структур.

После незначительных изменений конструкции и некоторых параметров процессов сходная по архитектуре модель решала принципиально другую задачу - оптимизацию численности зрительской аудитории с использованием метода интерактивного телевидения для различных категорий лиц и разных телепрограмм.

В обоих случаях программный продукт показал высокую временную эффективность по сравнению с другими методами.

Сходство конструкции и механизмов работы системы модулей способной выполнять разные функции, позволяет теоретически и практически подойти к решению важной проблемы нейробионики и техники - универсализации функций одной и той же структуры, создания универсальных конструкций, способных выполнять широкий спектр функций, где специфика и динамика каждой функции определяется свойствами и параметрами потребности, проецируемой в данную микроструктуру.

Выявленный в работе набор и параметры сложных функций микромодулей и системы микромодулей ассоциативной коры, закономерности и механизмы их реализации, возможности их количественного анализа ( например в микросети с малым числом элементов с известными свойствами и связей между ними, возможность точной количественной оценкой процессов в них и. др.) могут быть использованы для создания новых концепций формирования нейробионических технологий, совершенствования методов анализа специфики работы головного мозга в норме и патологии, теоретических и практических разработок проблемы построения искусственного интеллекта на имитационной основе [ 2. 3 ], построения и повышения эффективности работы комплекса методик автоматизированных экспертных систем [4] и др.

Список литературы

1. Вальцев В.Б. .Григорьев В.Р., Черкашин Е.А. Значение мотивационной регуляции в интеллектуализации функций нейрона. V Всесоюзная конференция « нейрокомпьютеры и их применение» М 1999 г., 478-481.

2. Вальцев В.Б., Лавров В.В., Пушкарёв Ю.П. .Моделирование функциональной единицы мозга: регуляторные и системно -информационные принципы. XXX Всероссийское совещание по проблемам высшей нервной деятельности. Тезисы докладов Т I., С-П, 2000 г, с 296-298.

3. Лавров В. В., Вальцев В.Б. Лаврова ИМ.Интеграция микро- и макросистемных нервных образований в целостную деятельность мозга. Проблемы нейрокибернетики. Материалы Юбилейной Международной Конференции по нейрокибернетике. Том I. Ростов -на -Дону, 2оо2г.с 85-88.

4. Рыбина Г.В., Пышагин С.В., Смирнов В.В. Инструментальный комплекс АТ-технология для автоматизированного построения интегрированных экспертных систем (windows-версия).Научная сессия МИФИ. Сборник научных трудов. Т.10