Журнал Наука и жизнь, 2000 № 01

4. Минимум исходных знаний.

После рождения организма, обладающего некоторой начальной приспособленностью и избытком нейронов, его нервная система начинает накапливать знания и информацию. Этот процесс продолжается в течение всей жизни организма (хотя одновременно идет и потеря знаний, например вследствие отмирания части нейронов). Накопление информации происходит в нейронах, при этом изменяется смысл сигнала, представленного нервным импульсом. Например, до и после обучения нервная система может совершенно по-разному реагировать на одинаковые с виду нервные импульсы. Здесь мы имеем дело с информационным процессом приспособления (адаптации), который и будем называть адаптивным управлением. Именно ему живые существа обязаны своей способностью распознавать образы, вырабатывать рефлексы, обучаться, принимать решения.

Устройство управляющей системы как модели нервной системы. Такое устройство вынужденно вытекает из принятых нами в качестве исходных условий четырех свойств нервной системы.

Итак, начнем конструировать нашу управляющую систему (УС) как модель нервной системы, исходя из принятых выше четырех условий. Пусть она будет неким «черным ящиком», на который поступает дискретная «входная информация» от датчиков, а от него исходит «выходная информация» в виде команд исполнительным устройствам.

Попробуем представить себе процессы, происходящие внутри «черного ящика». Для этого посадим туда гипотетического наблюдателя — что-то вроде Демона Максвелла, сортировавшего молекулы в термодинамике. В соответствии с духом времени снабдим нашего Демона «сотовым телефоном», чтобы он мог передавать нам свои наблюдения.

В биологических нейронах входные сигналы — нервные импульсы — поступают к нейрону ( 1) через контакты-синапсы, расположенные на отростках-дендритах ( 2), число которых может достигать тысячи. Выходом нейрона служит длинный (до 1,5 метра) разветвляющийся отросток — аксон ( 3). На синапсах и в теле нейрона происходит логическая обработка поступающих импульсов. При этом нейрон как бы решает, следует ли ему выдавать выходной сигнал на аксон или нет. Сначала нейрон «обучается», пытаясь отыскать неслучайные комбинации в потоке входных сигналов. Находя их, нейрон постепенно становится «обученным» и начинает узнавать эти комбинации, сообщая об этом выходным сигналом на своем аксоне.

Итак, выходим на связь с Демоном.

Сообщение 1.«Я хочу выжить и, более того, хочу постоянно улучшать ощущение своего состояния».

Разумно: выживание и улучшение ощущения состояния есть цель управления нервной системы. При этом мы полагаем, что наш Демон «умный» и понимает, что в роли нервной системы он может выжить только вместе с телом и окружающей его средой, взаимодействуя с ней. Демон должен улучшать свое состояние таким образом, чтобы это не противоречило его выживанию. Например, для получения приятного «ощущения сытости», нервной системе нужно дать сигнал накормить подведомственное ей тело, а не раздражать какие-то свои нервные центры электродом или наркотиком. Кроме того, в результате естественного отбора «приятные» ощущения в некоторых состояниях должны соответствовать объективной пользе этих состояний для объекта управления.

Сообщение 2.«Я должен активно действовать, чтобы находить новые возможности улучшать свое состояние. Для активных действий у меня есть кнопки, на которые я могу нажимать, и показания датчиков, на которые я могу смотреть».

Заметим, что активность — необходимая стратегия искомого принципа управления. Альтернативную стратегию — пассивное управление, когда система только реагирует на входные воздействия, — мы отвергаем, ибо она не ведет к поиску новых возможностей для улучшения состояния.

Зададим вопрос Демону: «Как вы определяете свое состояние, его улучшение и ухудшение?».

Сообщение 3.«Не знаю, как я это делаю, но во мне есть некий «хорошеметр», аппарат эмоций, который позволяет мне чувствовать свое состояние в терминах «великолепно», «очень хорошо», «так себе», «плохо», «очень плохо», «невыносимо», а также его изменение в лучшую или худшую сторону. Видимо, оценка текущего состояния как-то зависит от входной информации и оценки уже сформировавшихся образов».

По-видимому, именно аппарат эмоций обеспечивает активность нервной системы. Если мы его отключим, Демон не захочет ничего делать, управление прекратится и объект управления погибнет.

Сообщение 4.«Чтобы улучшить свое состояние, я должен найти способ управления. Для этого надо отыскать связи между моими действиями (нажатием кнопок) и показаниями датчиков, а также моими эмоциями».

Схема нейрона, используемого в традиционных нейросетях.

Итак, Демон сформулировал еще одну целевую функцию: поиск и накопление знаний Очевидно, что, чем больше знаний будет накоплено управляющей системой, тем более надежные способы выживания она сможет найти, тем успешнее сможет улучшать свое состояние. С другой стороны, чем дольше будет существовать объект, тем больше знаний он накопит. Поэтому обе целевые функции — выживание и накопление знаний — тесно связаны между собой {по нашему мнению, главная цель существования и есть накопление знаний).

Сообщение 5.«Для начала попробую найти закономерности во входной информации».

Разумно. Но может ли Демон обнаружить закономерности и беспорядочном мелькании входных сигналов? Может, если он в состоянии заметить в них неслучайные совпадения. Если в какой-то момент ему покажется, что некоторую комбинацию сигналов он видит уже не в первый раз — значит, он сформировал образ.

Сообщение 6.«Это красное пятно в нижнем углу правого монитора я уже видел! Постойте, но и этот одновременный скачок трех стрелок иногда повторяется».

Ну вот. уже два образа сформированы — номер 1 и номер 2. Это первые составляющие эмпирического знания нашей управляющей системы. Демон может занести их в свою Базу Знаний.

Сообщение 7.«Теперь, когда образ номер 1 или номер 2 появляются в показаниях датчиков, я сразу узнаю их».

Сформированные образы (иначе их еще называют таксонами, паттернами, классами объектов) управляющая система может распознать в те моменты когда в поле зрения датчиков появляются их прообразы.

Сообщение 8.«Пытаюсь найти способы воздействия на образы номер 1 и номер 2. Для этого беспорядочно нажимаю на все имеющиеся кнопки».

А что еще остается делать, если нет никаких оснований для более разумной тактики. Интересно, что произойдет раньше: Демон найдет какую-либо закономерную связь между нажатием кнопки и реакцией образа либо выявится зависимость образов от эмоционального состояния Демона?