Этап нейросетевого моделирования (краткое описание)

Введение

На этих страницах представлен нейросетевой этап научно-исследовательского проекта, направленного на разработку средств и методов компьютерного моделирования нейропсихологических функциональных систем в учебных и исследовательских целях.

Средством реализации и одновременно одним из практических результатов этого проекта является компьютерная программа "NPS".
В этой программе реализуется целостный многоуровневый подход к моделированию. Такой подход обеспечивает воссоздание не абстрактной нейронной сети, а относительно простого организма, управляемого такой сетью и способного проявлять свойства сети в форме различных поведенческих действий (перемещений, реакций на пищу и опасности и т.п.). На основе модели нейросети (нейрофизиологического уровня организма) в настоящее время функционирует модель поведения - поведенческий уровень организма в целом.

Данное направление работы во многом пересекается с нейроинформатикой и математической теорией нейронных сетей, но имеет и свои существенные отличия. Основным направлением и целью развития NPS является не увеличение количества и быстродействия нейроэлементов, а обеспечение возможности удобного и наглядного моделирования разных функциональных систем целостного организма, взаимодействующего со средой. В области обучения нейросети здесь также вместо разработки и использования эффективных, но искусственных, математических методов, ставится задача воссоздания естественных путей онтогенетического развития нейросети биосистемы. При этом основной целью является психологический уровень организации нейросети, для воссоздания которого также требуется жертвовать количественными характеристиками моделей. В связи с этим на нейросетевом уровне NPS представляет собой простой и наглядный нейроимитатор - базис для работы над психологической надстройкой.

Аналогичное соотношение у NPS и с нейрофизиологическими моделями. Общей частью здесь является моделирование нейроэлементов, но различие в целях и содержании работы также существенно. Основные цели данной работы связаны с исследованием механизмов поведения и возникновения психологических явлений на базе нейросети. В связи с этим модели отдельных "нейронов" не включают внутренних физико-химических закономерностей их функционирования и ограничены минимальным набором свойств, обеспечивающих их взаимодействие и адекватное управление простым организмом.

Цели

Разработка многоуровневой модели нейропсихологической системы преследует несколько целей:
  • Исследование возможностей компьютерного моделирования как метода психологии и разработка новых подходов и методов моделирования в психологии.
  • Выявление новых подходов к исследованию "психофизиологической проблемы" - соотношений между психологическими явлениями и их нейрофизиологическим субстратом и механизмами.
  • Подготовка материалов для использования программы моделирования в учебном процессе (по курсам нейрофизиологии, психологии и другим).
  • Организация дистанционного сотрудничества исследователей и студентов с возможностью ознакомления с разными моделями и участия в совместной научно-исследовательской работе.
  • Разработка технологии создания и использования специализированных искусственных нейропсихологических систем переработки информации (для статистического анализа и прогноза, для финансового анализа, медицинской диагностики и других целей).

Подход

В общем виде разрабатываемый в данной работе подход можно определить как многоуровневое моделирование нейропсихологической биосистемы. Основные особенности этого подхода по сравнению с известными автору аналогами - искусственными нейросетями и алгоритмическими моделями поведения:
  • Задачей собственно математического этапа моделирования является воссоздание наиболее глубокого (из рассматриваемых) уровня биосистемы - уровня нейронов и функционально аналогичных участков нейрона - "возбудимых элементов". Эти элементы не имеют свойств системы как целого, но благодаря своей организации создают ее специфические свойства.Соответственно изменяется содержание этапа построения модели биосистемы в целом. Вместо математического моделирования свойств биосистемы с отображением их в математических величинах, биосистема воссоздается из нематематических объектов - моделей элементов целого.
  • Основной задачей построения модели, вместо прямого математического воссоздания свойств прототипа в целом, становится отображение в ней организации элементов исследуемого объекта. Тем самым осуществляется организация моделей элементов в единую систему, которая уже будет соответствовать исследуемому объекту в целом.
  • Разработка методологии и конкретного программного обеспечения моделирования реализуется во взаимосвязи с исследованием психофизиологической проблемы. Эта взаимосвязь признается объективно неизбежной и в значительной степени определяющей планирование исследования в целом. В ситуации отсутствия теоретического решения психофизиологической проблемы любые попытки дальнейшего развития моделирования биосистем и построения модели, включающей в себя уровни нейросети (или возбудимых тканей вообще) и психики, будут одновременно попытками решения этой сложной проблемы. Поэтому разработка методологии такого многоуровневого моделирования может проводиться только в форме "моделирования психофизиологической проблемы" на примере конкретных искусственных созданий с поэтапным приближением к ее решению.
  • Направленность на указанную проблему определяет основное отличие данного исследования от аналогичных работ в области нейросетей. После достижения минимально необходимого уровня функциональных возможностей нейросети работа была полностью переориентирована: вместо обычного в этом случае дальнейшего развития нейросетей с целью повышения их мощности, прикладной результативности или приближения к естественным аналогам, поставлена совершенно другая цель - выявление психологического (информационного) уровня модели и разработка средств его наблюдения, развития и обеспечения адекватного взаимодействия с пользователем программы.
  • Построение полной и однозначной психологической теории невозможно без выхода за рамки системы специфических психологических понятий, без создания "синтетического языка", позволяющего рассматривать психические, физиологические и машинные процессы как рядоположные, как различные формы информационных процессов. Сложная работа по созданию такого языка не может быть выполнена без попытки конкретных и формализованных описаний, что возможно лишь в процессе практического применения метода моделирования. Возможно, этот язык будет близок к современным языкам программирования - как эффективным средствам описания информационных процессов.
  • Таким образом, основными инновационными подходами, разрабатываемыми в данном проекте, являются относительно частные подходы к моделированию психологического уровня на базе нейросети и соответствующему исследованию психофизиологической проблемы, раскрываемые в разделе "Основания" данного сайта.

    Разрабатываемый в данной работе подход к моделированию, а также общие теоретические основания данной работы, более подробно раскрыты в разделе "Основания", а также в публикациях.

    Ожидаемые результаты

    • Разработка основ новой методологии моделирования систем с психологическим уровнем организации.
    • Подготовка программного обеспечения, реализующего эту методологию и доступного для широкого использования в исследовательских и учебных целях.
    • Определение подходов, методов и инструментов поэтапного решения психофизиологической проблемы методом компьютерного моделирования многоуровневых психофизиологических явлений и процессов.
    • Подготовка учебных курсов с использованием многоуровневого моделирования для учебных целей.
    • Организация виртуальной лаборатории для дистанционного сотрудничества студентов и ученых разных университетов.

    Результаты на текущем этапе

    • Разработана версия 2.1 программы NPS для моделирования нейропсихологических систем. Эта версия включает в себя три уровня - математический (субстрат моделирования), нейрофизиологический (модель нейронной сети) и поведенческий (модель деятельного организма).
    • Разработан первый набор моделей, иллюстрирующих различные виды организации нейронов в простейшие системы.

    Применение

    NPS предназначена для использования в учебных и исследовательских целях. Области применения - общая психология, нейрофизиология, нейропсихология, психофизиология.

    История разработки

    Первая версия программы (1.0) была подготовлена в августе 1997 года. Эта версия включала в себя только уровень нейросети. В версии 2.0 (август 1998 года) были добавлены "среда" модели и поведенческий уровень, обеспечивающий простейшие взаимодействия со средой. После получения результатов, убедительно свидетельствующих об ограниченности нейросетевого подхода в решении задач моделирования высших психических функций, основным направлением работы стало осцилляторно-полевое моделирование.

    К настоящему времени программа нейросетевого моделирования интегрирована в единый экспериментально-диагностический комплекс (ЭДК), где используется в качестве учебного пособия.