Материалы


Осцилляторная модель самоорганизации цикла осознания как синтеза сенсорной информации и опыта

Мирошников С.А.

Теоретические основания представляемой модели синтезируют некоторые “взаимоисключающие” подходы и дополняют их теорией осцилляторно-полевой организации механизмов отражения (www.nps.pu.ru). В самом общем виде теория сводится к тому, что кроме импульсной переработки информации существуют связанные с ней, но все же относительно независимые осцилляторно-полевые механизмы переработки информации, возможно, играющие роль в функционировании сознания.

Прототипы и модели. В качестве возможных прототипов модельных “осцилляторов” (или автоколебательных модулей - АКМ) в реальной нервной системе можно рассматривать как известные системы взаимосвязанных нейронов, а также субклеточных структур типа мембран с колебаниями потенциалов на них, так и гипотетические квантовые или иные биофизические осцилляторы. Соответственно, в качестве прототипа модельного “поля” здесь можно рассматривать возбудимую “нервную ткань” в целом или, точнее говоря, те ее свойства, которые наиболее точно описываются именно в терминах поля. Прототипом “смещения” осциллятора и поля в этом случае является отклонение уровня активности (импульсации, потенциала и т.п.) от некоторого равновесного состояния.

Относительно известных искусственных нейросетей новый подход к моделированию можно определить следующим образом:

Основные отличия:

1. Единица структуры – не нейрон, и не система колебательно взаимодействующих нейронов, а автоколебательный модуль, взаимодействующий с единым полем и при каждом смещении стремящийся к возврату в равновесное состояние. Характерное поведение таких гармонических осцилляторов продемонстрировано на графике взаимодействия двух осцилляторов с разной частотой - это синхронизация маятников на средней частоте - см. рис. 1.

66_1.gif
На этом рисунке показаны основные этапы процесса: от начальных колебаний каждого маятника в противофазе и на собственной частоте (с периодом 50 и 54 единиц времени), до синхронизации на средней частоте (период = 52). При этом один маятник, с более коротким собственным периодом играет роль “ведущего”, а второй - “ведомого”, что показано различным цветом жирных осевых линий.

Показанные здесь этапы взаимодействия осцилляторов выявляются и в более сложных системах, на которых далее будет показана самоорганизация цикла опознания стимула (см. рис. 2). То есть, динамику маятников здесь можно рассматривать как простейший прототип динамики информационного синтеза (если предположить, что осцилляции несут некоторую информацию - например, о свойствах маятников или внешних действий, вызвавших их колебания).

66_2.gif

В качестве иллюстрации на рис. 3 приведено сопоставление полученных результатов с известными представлениями нейрофизиологии, а именно - с теорией повторного входа информации, обоснованной в ряде известных работ (Иваницкий (1976, 1984, 1993); Edelman (1989); Edelman, Mountcastle (1978)). Рассмотрим эти иллюстрации в сопоставлении с рисунком 2, на котором изображены графики взаимодействия осцилляторов во времени.

66_3.gif

2. Отсутствие импульсов (информацию несут осцилляции модулей и поля).
3. Отсутствие структурных связей для передачи импульсации. Связи между осцилляторами - только динамические, спонтанно возникающие через взаимодействие с полем и синхронизацию.
4. Единство трех форм представления информации (характерных для разных “взаимоисключающих” теорий сознания): локального (на одном осцилляторе), распределенного (на связанных осцилляторах) и эквипотенциального (на осцилляциях единого “поля”).
5. Максимально возможная целостность системы: все связи всех элементов со всеми реализуются через одну переменную, играющую в модели роль единого поля.

Основные аналогии:

(1) Сходство основных типов автоколебательных модулей (АКМ) и известных типов нейронов:

АКМ-Т. Трансляторы, преобразующие характеристику стимула (или импульсацию) в осцилляцию - подобно рецепторам;

АКМ-С. Входные, сенсорные, или первичные проекционные осцилляторы, на которые проецируется первичный сенсорный вход и затем повторно - преобразованная сенсорная информация (вместе с дополнительной информацией, вызванной из памяти и мотивационных зон);

АКМ-П. Осцилляторы памяти, несущие информацию сенсорного и моторного опыта субъекта, а также связанную с этим информацию о значении стимулов для субъекта, о необходимых действиях с ними (мотивационная информация);

(2) Сходные свойства осциллятора и порогового нейрона, в частности, пороговая функция, определяющая переход из режима “приема” или “ожидания” в режим активного “излучения” осцилляций и информации в единое поле.

Проведенные на моделях эксперименты показали, что описанная организация системы, несмотря на свою простоту и вариации в стимулах, обеспечивает устойчивую самоорганизацию цикла осознания на основе “повторного входа” сенсорной информации (после взаимодействия с информацией памяти) в места первоначальной проекции (см. рис. 2). Это соответствует известным экспериментальным данным нейрофизиологии, а также – психологическим теориям осознания как синтеза сенсорной информации и субъективного опыта.

Этот относительно простой эксперимент, а также более сложные эксперименты с незначительно большим количество осцилляторов позволили зарегистрировать следующие особенности переработки информации, регистрируемые в осцилляторно-полевой модели:

(1) Эффекты предварительной активации знаний о возможных типах стимулов – проявляются в соотношении скорости опознания первого и последующих стимулов, проецируемых в одну и ту же или разные рецепторные зоны (при наличии первого стимула или вскоре после его удаления – менее чем через 3 с).
  • Стимул, аналогичный первому, опознается в 1,2 - 2 раза быстрее, чем другой стимул из экспериментального набора (в реакции выбора, с набором из 3 - 10 стимулов).
  • Увеличивается количество ошибочных опознаний другого стимула как “того же”.
(2) Интерференционные явления при отражении стимулов близкого вида – от константности восприятия опознанного стимула до вытеснения отражения другого стимула. Эксперименты проводились с использованием пары известных стимулов близкого вида (отражения которых запечатлены в виде соответствующей собственных частот осцилляторов), а также стимулов промежуточного вида. Например, стимулы яркостью 140 и 160 условных единиц (шкала 1-255).
  • Эффект константности восприятия перемещающегося стимула (с сохранением активности одного осциллятора, проецирующего свою информацию об известном классе стимулов на разные сенсорные осцилляторы в соответствии с перемещением стимула). Этот процесс (см. рис. 4) реализует известные теоретические представления о динамическом “фокусе информационного взаимодействия”.66_4.gif
  • Эффект константности восприятия изменяющегося стимула проявляется в сохранении активности одного предобученного осциллятора, проецирующего свою информацию на один и тот же сенсорный осциллятор несмотря на изменение стимуляции вплоть до приближения ее к другому известному типу стимулов.
  • Эффект вытеснения отражения стимула 1 из области отражения среды. В указанных выше условиях стимул 145 в половине случаев не отражался вообще в течение периода, десятикратно превышающего обычное время опознания, что может рассматриваться как "вытеснение" его отражения имеющимся (хотя и не локализованным в едином отражении среды) отражением стимула 160.
  • Эффект “субъективных колебаний” заметен как в относительно простом случае (см. рис. 2), так и при более сложной стимуляции (см. рис. 4). Этот эффект на бытовом языке описывается как колебание “он – не он – все-таки он”. Он основан на закономерностях процесса синхронизации (по частоте и по фазе, причем “одно мешает другому”) и, что более заметно во втором случае, на интерференционном конфликте при отражении стимула.
  • Эффект увеличения времени реакции выбора при увеличении количества активно ожидаемых альтернатив (информация о которых актуализирована в памяти.
(3) На рис. 5 также можно заметить эффект волнообразного распределения результатов, естественно, более заметный на большем количестве замеров. При случайном изменении соотношения времени стимуляции и фаз осцилляторов наблюдается характерный разброс времени опознания (вплоть до неоднозначности возможного опознания стимула).66_5.gif
(4) Эффект замещения отражения надпорогового стимула – образом другого, ранее подпорогово предъявленного стимула. Этот эффект первоначально был зарегистрирован в экспериментах с осцилляторными моделями и затем в параллельных экспериментах с людьми. На обучающем этапе испытуемые (N=50) обучались распознавать три класса простых фигур. На контрольном этапе им предъявлялась сначала одна фигура на подпороговом уровне. Затем предъявлялась основная надпороговая фигура. В случае, если подпороговый стимул соответствовал тому же самому классу, что и надпороговый, количество правильных ответов было значительно выше (по сравнению с предъявлением только надпорогового стимула). В обратном случае количество правильных ответов было, наоборот, меньше. В этом случае выросло количество ошибок опознания основного надпорогового стимула как относящегося к тому же классу, что предварительно предъявленный подпороговый стимул. Обнаруженные тенденции статистически достоверны и полностью совпадают в экспериментах на людях и осцилляторных моделях (см. рис. 6).


В представленном направлении сделаны только первые, относительно простые модели и эксперименты. Но главное, что хотелось бы отметить: переход от сетевой организации психофизической модели к единому полю позволил реализовать действующую модель, экспериментально выявленное поведение и информационное содержание которой соответствует ряду важных нейрофизиологических и психологических данных, а также естественнонаучных и философских теорий сознания, в разных терминах описывающих один и тот же цикл сознательного отражения нового объекта как представителя известного субъекту класса.

66_6.gif