Материалы

Уровневая  организация   модели нейропсихологической  системы

Мирошников С.А.
Ананьевские чтения - 98.
Тезисы научно-практической конференции 27-29 октября 1998 года.
Издательство С.-Петербургского университета, 1998. С.45-47.

Несмотря на наличие известных теоретических и прикладных разработок по теме моделирования в нейрофизиологии и психологии, пока еще отсутствуют средства, позволяющие работать с моделью одновременно на нескольких разных уровнях организации - от математического содержания "нейрона" до целостной системы организма и окружающей его среды. Это положение позволяет исправить новая версия программы моделирования (NPS 2.0), которая дает возможность проводить анализ, изменение структуры и текущего состояния модели на трех уровнях - математическом, динамическом и общесистемном.

Первый из этих уровней является математической основой модели. Это искусственный заменитель биологического субстрата организма, образованный из математических объектов. Следующие два уровня воспроизводят свойства соответственно нейрофизиологического и поведенческого уровней реальных нейропсихологических систем. Эти уровни являются вторичными моделями. Они образованы из математических моделей нейронов и связей между ними, которые в целом характеризуются уже не математическими свойствами, а специфическими особенностями динамики нейронов и их взаимосвязей.

Разработка математического уровня была основана на выделении тех свойств нейронов, которые определяют их как функциональные единицы нервной системы, обеспечивающие переработку информации в системе в целом. Такие свойства воспроизводятся во многих известных компьютерных моделях нейронов и нейронных сетей - в тех случаях, когда целью исследования является не биохимические свойства нейрона, а его роль в переработке информации (GENESIS, Neurosim, Hopfield Network, Perceptron и другие). К свойствам этого типа относят способность к изменению состояния (возбуждению и торможению), к приему и передаче импульсации, к "сравнению" поступающей импульсации с порогом возбуждения/торможения. При этом связь между нейронами в модели определяется математическим "весом" - аналогом силы влияния единичной импульсации одного нейрона - на другой.

Созданные таким образом единичные модели нейрона и связи между нейронами становятся универсальными "кирпичиками" следующего, физиологического уровня, на котором строятся различные нейронные сети. Каждая такая сеть характеризуется определенной организацией нейронов, что позволяет рассматривать ее как модель аналогично организованной нейропсихологической подсистемы, выполняющей определенные функции в организме. Существуют сети, выполняющие функции распознавания образов, перемножения или складывания чисел и т.д.

Созданная на физиологическом уровне сеть нейронов в большинстве известных на настоящее время моделей является конечным итогом собственно моделирования и далее используется для проверки различных гипотез или для учебных целей. В нашей работе подготовка математического и нейрофизиологического уровней модели была продолжена с целью воссоздания еще одного важного уровня организации - поведенческого, необходимого для исследования различных нейропсихологических подсистем целостного организма, взаимодействующего со средой.

Эта потребовало, с одной стороны, придания нейронной сети абстрактного "тела", и с другой, создания модели среды организма. Последняя должна включать в себя модели различных объектов, определяющих базовые способы поведения биологических организмов. Это модели пищи, опасности и препятствия. Для обеспечения взаимодействия "тела" со "средой" модель дополнена функциями отражения ею объектов среды и перемещения среди этих объектов с "поглощением" пищи. Связь этих функций с "нейронами" изменяется экспериментатором, что позволяет создавать модели с разным набором "рецепторов" и "эффекторов". На данном этапе смоделированы базовые сенсомоторные функции, являющиеся основой для развития первичных форм поведения. Это простейшие виды, с одной стороны, отражения наиболее важных для жизни видов объектов - пищи, опасности, препятствия, и, с другой стороны, передвижения с "естественным" взаимодействием с такими объектами. Связывание этих функций с моделями отдельных нейронов преобразует последние в модели рецепторов или эффекторов. В первом случае возбуждение нейрона является ответом на присутствие в "зоне видимости" объекта определенного вида, во втором - вызывает моторную реакцию тела (перемещение).

Проделанная работа позволила перейти на новый уровень модели - поведенческий, поскольку был воссоздан полный цикл поведенческой реакции - от ощущения объекта до моторной реакции на него. Дальнейшая работа проводится в нескольких направлениях:
  • создание "библиотеки моделей" основных видов нейропсихологических функциональных систем - обеспечивающих передачу возбуждения по рефлекторной дуге, латеральное торможение, обратную связь, и другие функции;
  • разработку модели "временной связи", как основы моделирования систем, способных к онтогенетическому развитию на основе таких связей;
  • разработку информационного уровня модели, соответствующего психологическому уровню нейропсихологических систем.