Материалы

Интеграция импульсных и осцилляторных сетей в нейропсихологической системе

Integration of impulse and oscillatory networks in the neuropsychological system

Мирошников С.А.
Санкт-Петербургский государственный университет
Научная сессия МИФИ - 2001. 3-я всероссийская научно-техническая конференция "Нейроинформатика-2001".
Сборник научных трудов. В 2-х частях. Ч. 1. М.: МИФИ, 2001. С. 205-213.

Аннотация

Представлены нейроинформационные аспекты исследовательского проекта. Первый его этап направлен на анализ информационно-психического содержания организма - на основе специальной теории информации и её форм (уровней организации): физической и психической. Второй этап основан на теории централизованной координатной организации единиц информации и их осцилляторных носителей. Организация информационно-психического содержания нейросети до уровня сознания рассматривается как переход от нейронально-рефлекторного отражения объектов и ситуаций - к целостному координатно организованному отражению мира относительно себя.

Abstract

Neuroinformatics aspects of the interdisciplinary research project are presented. Its first stage is directed on the analysis of informational-mental contents of an organism - on the basis of the special theory of information and its forms (levels of organization): physical and mental. The second stage is based on the theory of centralized coordinate organization of information units and of their oscillatory carriers. The organization of informational-mental contents of a neuronet up to a level of consciousness is considered as transition from neural-reflex objective reflection of separate objects and situations - to the whole coordinately organized subjective reflection of the world concerning oneself.



Существует множество подходов к исследованию поведения и психики со стороны разных наук и междисциплинарных направлений. В первую очередь они различаются по их базовым положениям: уровень анализа организма (от квантовых и нейрональных механизмов - до коннекционистских и символических теорий, общей психологии); решение проблемы соотношения материи и сознания (от элиминирующего материализма до эмержентного материализма и спиритуализма); решение вопроса о детерминантах содержания сознания (от методологического солипсизма до признания детерминации сознания прежде всего внешними взаимодействиями); решение проблемы соотношения тела и психики (от психофизического тождества до дуализма); решение вопроса о локализации психических явлений (локализационизм, теория распределенной системы, экстернализм); базовые физические представления о структуре и законах развития мира (классическая, квантовая физика, синергетика).

Обычно по этим критериям подходы разделяются и взаимоисключают друг друга. Но каждый подход верен или ошибочен только в соответствии с верной или ошибочной областью приложения. В случае исследования сложной многоуровневой и многоаспектной нейропсихологической системы приложение одного подхода позволяет раскрыть только одну сторону системы. Остальные аспекты искажаются неадекватным его приложением. Видимо, это и привело к нынешней ситуации, когда теории, основанные на разных подходах, находят подтверждения в одних аспектах целостного организма, но уступают другим теориям в объяснении остальных его же аспектов.

В теории нейропсихологической системы [1] сделана попытка избежать взаимоуничтожения разных подходов и синтезировать те из них, которые показали свою эффективность в отдельных областях приложения. По критерию исследуемого уровня организации эта теория пересекает все указанные уровни: для объяснения разных механизмов переработки информации привлекаются законы распространения и взаимодействия осцилляций единого поля на основе квантовых осцилляторов, а также нейрональные и сетевые принципы организации носителей информации. Далее в качестве их особо организованных свойств рассматриваются "субсимволические" единицы информации и их связи в целостно-символические образы, с выходом на систему понятий общей психологии. Аналогичный синтетический характер теории проявляется в вопросе о соотношении тела и психики. Представляемая теория близка к функционализму, но в то же время психически организованная информация рассматривается не как пассивное свойство или функция материи, а как новое активное целое, способное оказывать влияние на материю. Таким образом, здесь интегрируются функционализм и эмержентный материализм.

В отношении локализации психических функций, предполагается, что нейронально-рефлекторный уровень организма и психических явлений организован на основе локального представления единиц информации (рецепторных отражений, инстинктивных побуждений, реакций и т.п.) в нервной системе (на базе нейронов, их ансамблей, участков ассоциативных сетей и т.п.). В отличие от него, второй, более сложный уровень, реализующий сознательные и подсознательные процессы, основан на распределенном (в пространстве и времени) представлении единиц информации на основе осцилляций единого поля, взаимодействующего с сетью осцилляторных модулей.

По базовым представлениям о взаимодействии и развитии объектов существующего мира, данное исследование также использует разные подходы. Классическая физика с достаточной аппроксимацией описывает функционирование физических систем макромира. И в данной теории именно эти представления служат опорой для анализа нейронально-рефлекторного уровня нейропсихологической системы. В то же время для описания законов более тонкого уровня организации (модульно-координатного), основанного на законах распространения и взаимодействия осцилляций физического поля, необходимо использование подходов неклассической, квантовой физики. Что же касается законов развития нейропсихологической системы, а также её моделирования, то здесь необходим синергетический подход к анализу взаимодействия её элементов, поскольку анализ отдельных связей здесь бесполезен, а прямое конструирование системы по отдельным элементам и их связям - практически невозможно. Создатель модели может только обеспечить условия для самоорганизации множества активных элементов и далее совершать "разовые" вмешательства в самопроизвольную эволюцию системы.

Базовым понятием данной теории является "информация", определяемая как общенаучная категория с использованием понятий общее, единичное и обобщение, а именно: единичная информация объекта Ai о некотором объекте Bi - это относительное свойство-обобщенность объекта Ai в общем объекте A, закономерно связанном экзистенциальным отношением (по области существования) с общим объектом B. Теоретическое и экспериментальное обоснование данного определения описано подробнее в других работах [1, 2, 3].

На основе этого определения возможно выделение информационного содержания единичных физических явлений, и в том числе информационного содержания нейросети, импульса или осцилляции. При этом относительно простое информационное содержание нейросети является основой для формирования качественно новой, психологической формы информации в биосистеме.

Определение этой формы вытекает из сущности информации и оптимального направления её системной организации, обеспечивающей максимально полное отражение сложных объектов, а именно: психологическая организация единиц информации в новое целое основана на возникновении таких отношений между ними, которые сами являются информацией о связях между отражаемыми в них объектами. Это переход на качественно новый уровень отражения - "системно-информационный", где информацией является не только состав системы, но и её организация.

Теперь, после определения методологической ориентации теории нейропсихологической системы, можно рассказать о той её части, которая связана с вопросом о роли нейроинформатики в моделировании высших психических функций. Это теория многомерной координатно-сетевой организации знания и сознания. Её основным положением является представление о структурно-функциональной единице системы, обеспечивающей организацию субъективно-психологических форм информации. Это функциональный модуль, способный нести осцилляторный паттерн (сложный стереотипный сигнал) электромагнитного или иного поля, взаимосвязанный с соответствующим паттерном нейрональной импульсации. Использование в качестве носителя информации не импульсов, а стереотипной осцилляции - волнового паттерна, дает значительные преимущества. Это способность нести несколько независимо изменяющихся единиц информации (подобно тому, как электромагнитное поле в одной точке может нести сотни сигналов разных станций, игнорирующих или взаимодействующих друг с другом в соответствии с соотношениями их частот и фаз колебаний), а также возможность более свободного распространения осцилляций по единому полю. Это снимает необходимость в строго направленных каналах передачи сигнала и повышает устойчивость системы к разрушению отдельных путей.

На достаточном уровне эффективности эти осцилляторные функции, видимо, доступны только специализированным ансамблям (модулям, колонкам) нейронов [4]. Функции осцилляторной обработки информации непосредственно могут быть основаны на более мелких структурах модуля, вплоть до квантов вещества. Известны свидетельства о том, что функционирование психики и сознания имеет много соответствий с законами квантовой механики. Это позволяет предположить, что максимальная эффективность осцилляторного механизма обеспечивается именно квантовыми нелинейными осцилляторами, возмущаемыми внешними периодическими силами (импульсацией нейронов). Такие квантовые осцилляторы могут локализоваться в области нейронов или модулей, "входная" импульсная активность которых обеспечивает периодические электромагнитные возмущения, необходимые для квантовых осцилляций и соответствующих волновых процессов (распространения волн, интерференции и т.п.), а "выходная" импульсная активность, наоборот, подвергается влиянию идущих в квантовом осцилляторе волновых процессов и тем самым отражает их в импульсном коде для передачи информации на более низкие уровни организации системы.

Эти модули сами резонансно "выбирают" соответствующую им информацию из единого поля, и именно их массовая синергетическая активность обеспечивает возникновение и функционирование единого механизма сознания. Большую роль в этом могут играть распространенные в природе автоволновые колебания - как естественное свойство активных сред [5]. С этой точки зрения каждый модуль может представлять собой активный автоколебательный элемент, основанный на взаимодействии импульсирующих нейронов и квантовых осцилляторов.

Другие положения теории описывают организацию и функционирование системы осцилляторных модулей. Целостная психологическая организация информации отдельных модулей обеспечивается многомерными координатными связями между ними. Эти связи отражают реальные отношения между объектами (отражаемыми в соответствующих модулях). Модули, объединенные такими связями в единое целое, образуют многомерную координатную систему, простейший пример которой - представительство осязательной информации в коре головного мозга. В единой координатной сети мозга выделяются базовая и производная подсистемы, обеспечивающие динамическое отражение соответственно "себя" и объектов окружающего мира. Это обеспечивает целостность и субъективность отражения мира, позволяет при решении любых задач учитывать широкий контекст ситуации, а также собственные знания, потребности, ценности и т.д. Получаемая в результате информационная картина себя и мира - сознание - является качественно новым активным целым, которое не только обусловлено составляющими его информационными единицами, но и оказывает влияние на них по своим собственным законам целостного отражения мира и его взаимосвязей.

Для хранения опыта в памяти служат координатные сети знания, содержащие не актуальные отражения конкретных объектов, а общие закономерные предпосылки для резонансного (ассоциативного) вызова актуальной информации на базе "предлагаемых" ими стереотипных осцилляций. Механизмы записи информации здесь, видимо, основаны на проекции актуального содержания определенной подсистемы сознания и изменении тем самым стереотипных осцилляторных паттернов соответствующих модулей (как это и моделируется в осцилляторных нейросетях [6]). Координатная организация этого вида памяти отличает её от нейронально-рефлекторной памяти, основанной на изменении свойств нейронов и синаптических связей.

Формирование информационных единиц в модулях сознания определяется синтезом сходной информации, которая поступает в одни и те же модули из двух источников: с одной стороны, от рецепторов, и с другой стороны, из координатных сетей знания (после обработки той же информации от рецепторов). Этот циклический синтез, с одной стороны соответствует нейрофизиологическим данным [4, 7], а с другой, может быть объяснен с позиций данной теории как результат самоорганизации процессов распространения, резонансного вызова и обратного резонансного приёма осцилляций.

Сознание как психическое явление (то есть, информационное содержание модульно-координатной сети) раскрывается здесь как многомерная система, содержанием и организацией которой является информация о содержании и организации явлений мира относительно друг друга и относительно субъекта. При этом каждая единичная информация об объекте или связи является результатом синтеза "сырой" неустойчивой актуально воспринимаемой информации и устойчивой информации, ассоциативно вызываемой из памяти.

Как можно предположить, в основе информационной целостности и непрерывности сознательной картины мира лежит физическая целостность несущей её осцилляции, центром и источником которой является наиболее стабильная осцилляция, несущая центральное отражение субъектом своего бытия. Нейрональные подсистемы, формирующие эту осцилляцию, должны быть общим источником колебательной активности. Они могут локализоваться в таламокортикальной системе, которая рассматривается как источник неокортикальной осцилляторной активности, контролирующий переход мозга из состояния сна в бодрствование и обратно (то есть, физиологически нормальное "включение" и "выключение" сознания) [8]. Благодаря цикличности и постоянству базового содержания единой осцилляции, она существует не дискретно, а непрерывно, и тем самым объективно несет непрерывное сознание субъекта. Дискретными и по частям обновляемыми в нем являются только возникающие и исчезающие ощущения, мысли, побуждения и т.п. отдельные информационные единицы, носителями которых являются отдельные относительно простые осцилляторные паттерны в составе единой волны.

Выделение высшего, модульно-координатного уровня организации нервной системы и психики организма позволяет определить оставшуюся их часть как относительно простой нейронально-рефлекторный уровень. Его функции лучше изучены и успешно моделируются с помощью искусственных нейросетей. В нервной системе к этому уровню относятся структуры типа безусловных и условных рефлекторных цепей, специализированных сенсорных, ассоциативных и моторных сетей, а также образуемые ими функциональные системы, не имеющие единой координатной организации и влияющие на физиологические процессы и поведение без формирования целостной психической картины ситуации и взаимосвязей между составляющими её объектами и процессами.

Информационно-психическое содержание нервной системы на этом уровне является пассивным свойством, детерминированным прежде всего физически - нейрофизиологическими процессами и объектами среды. Это содержание психики отражает действительность не относительно субъекта, а относительно отдельных стимулов, объектов. Эта объектно организованная область психики отделена от субъектно организованного сознания (по организации, механизмам и содержанию) и представляет собой собственно бессознательное, образуемое совокупностью биологических потребностей, инстинктов и детерминированных ими и средой отдельных побуждений, первичных сенсорных образов и т.п.

Выделенные два уровня организации работают не только последовательно, но и параллельно. Это позволяет организму в ответ на стимул реагировать быстрым неосознанным рефлекторным действием, и, в то же время, осознавать и обдумывать содержание стимула в контексте ситуации, личного опыта, планов и т.д. При этом возможна дополнительная прямая и обратная передача информации между этими уровнями (с соответствующей трансформацией импульсного кода в осцилляторный и обратно).

Нейронально-рефлекторный и модульно-координатный уровни имеют ряд сходных функций, например возможность запоминания и ассоциативного вызова образа. Но механизмы внешне сходных функций различаются. В частности, на нейронально-рефлекторном уровне закрепляются во временных связях и актуализируются только ассоциации по сосуществованию (одновременность или последовательность во времени). На модульно-координатном уровне возможны ассоциации не только по этим, но и по любым другим отношениям, отраженным в соответствующих измерениях координатной сети (от включения, пересечения, того или иного сходства - до взаимоисключения).

Представленная теория первоначально основывалась на известных результатах нейрофизиологических исследований и в настоящее время реализуется в компьютерной модели. Как и теоретическое исследование, эта работа также подразделяется на два этапа, первый из которых позволил моделировать простейшие основы нейрональных и информационно-психических структур организма, а второй этап, к которому мы приступаем, направлен на обеспечение возможностей самоорганизации структур и функций модульно-координатного уровня этой же модели.

Успехи нейроинформатики в воссоздании функций первичной сенсорной обработки сигнала, и в то же время невозможность решения задач, связанных с высшими психическими функциями, показывают, что для моделирования сложной многоуровневой познающей системы недостаточно количественного и качественного усложнения архитектуры нейросетей. Необходим синтез разных, в том числе модульных и осцилляторных нейросетевых архитектур, синтез разных философских, общенаучных и частнонаучных подходов, а также ориентация на нейрофизиологические и психологические данные как на ориентиры, указывающие известные природе пути организации эффективных механизмов переработки информации.

Литература

  1. Miroshnikov S.A. Theoretical and computer modelling of the neuropsychological system: from reflex - to consciousness. Materials of the report at the XXVII International Congress of Psychology. Stockholm 23-28 July 2000. Saint-Petersburg State University, 2000. 36 pp. (http://cogprints.soton.ac.uk/documents/disk0/00/00/09/55)
  2. Мирошников С.А. Системно-информационный подход и возможности его приложения в психологии и междисциплинарных исследованиях // Вестник СПбГУ, Cер. 6., 2000, Вып. ?4 (в печати).
  3. Мирошников С.А. Системно-информационный подход к психофизиологической проблеме // ХХХ Всероссийское совещание по проблемам высшей нервной деятельности. Тезисы докладов. Том 2. Санкт-Петербург, 2000. С. 685-688.
  4. Edelman, V.B. Mountcastle. The mindful brain. Cortical Organization and the Group-Selective Theory of Higher Brain Function. Cambridge and London, 1978.
  5. Жаботинский А.М. Автоволны в биофизике. - В кн. Нелинейные волны: Самоорганизация. М.: Наука, 1983. С. 16-25.
  6. Ermentrout B., Kopell N. Learning of phase lags in coupled neural oscillators. Neural Computation, v. 6, 1994, pp. 225-241.
  7. Иваницкий А.М. Главная загадка природы: как на основе работы мозга возникают субъективные переживания // Психологический журнал, 1999, том 20, ? 3, с. 93-104.
  8. Erdi P. On the "Dynamic Brain" Metaphor // Brain and Mind. Vol. 1. 2000. PP. 119-145.