Материалы

Новый этап: психоинформатика и психокомпьютер

New stage: psychoinformatics and psychocomputer

Мирошников С.А.
Санкт-Петербургский государственный университет

Научная сессия МИФИ - 2000. 2-я всероссийская научно-техническая конференция "Нейроинформатика-2000".
Сборник научных трудов. В 2-х частях. Ч. 2.
М.: МИФИ, 2000. С. 204-210.

Аннотация

Рассматривается возможность нового этапа в развитии нейроинформатики и психологии - моделирование психики как специфически организованной системы информационных элементов. Определены возможные ориентиры и особенности исследования. Содержание и ключевые свойства психологического уровня системы раскрыты через формализацию психической формы информации. Намечены теоретические и практические подходы к разработке специализированных систем и выявлению психических явлений, формирующих внутренний психический мир "обычных" нейросетей.

Abstract

The possibility of the new stage in development of neuroinformatics and psychology - simulation of the mind as the specifically organized system of information units is considered. Possible landmarks and features of the research are defined. The content and key properties of the psychological level of the system are uncovered through a hypothetical formalization of the mental form of the information. Theoretical and practical approaches to development of specialized systems and detection of mental appearances forming the internal mental world of "usual" neuronets are outlined.



Развитие нейроинформатики во взаимодействии с другими науками привело к значительным успехам в самых разных областях знания. Одним из таких направлений взаимодействия, потенциал которого еще далеко не реализован, является связь нейроинформатики с психологией. С этой точки зрения, нейроинформатика подошла к тому этапу развития, за которым возможен, а позднее станет и неизбежным, переход моделирования биосистем на новый качественный уровень. Это переход от нейрофизиологической сигнальной деятельности нейрона и нейросети к более высоко организованной психологической форме хранения и переработки информации.

По мере накопления исследовательских данных и развития техники все более актуальной становится возможность повторения на новом витке истории того события, которое стало началом самой нейроинформатики. На этапе первых нейросетей моделирование нервной системы позволило перейти на качественно новый уровень переработки информации, со своей логикой, во многом непонятной и не сразу показавшей свои преимущества. Накопленный опыт и результаты психофизиологических исследований теперь вплотную подводят к проблеме моделирования следующего, еще более высокого и сложного уровня переработки информации - психологического.

Для оценки актуальности и реальной возможности этого нового этапа в развитии информатики и психологии попробуем кратко ответить на возникающие вопросы об особенностях, подходах и результатах работы в этом направлении. Многие из них можно проследить как развитие и преобразование соответствующих сторон нейроинформатики.

Для моделирования первых нейросетей достаточно было взять известные данные нейрофизиологии и воспроизвести их в виде простых алгоритмов преобразования сигнала в нейроне и способов организации нейронов в сети. Далее развивались преимущественно технические и математические параметры моделей. Новые архитектуры и алгоритмы обучения нейросетей, как правило, являлись результатами математических, а не нейрофизиологических исследований. И с другой стороны, трудно назвать такой успех нейроинформатики, который привел бы к открытию в нейрофизиологии.

Для перехода к следующему этапу теперь необходимо учитывать гораздо более слабую изученность новой для информатики структуры - психики. Высокая количественная и качественная сложность и специфические ограничения на непосредственное изучение этого объекта наводит на мысль о том, что продвижение здесь возможно только при объединении психологических исследований и моделирования в едином направлении развития науки и технологии. И если возникновение нейроинформатики было невозможно без данных нейрофизиологии, то развитие гипотетической "психоинформатики" потребует не столько готовых данных, сколько активного проведения психологических исследований, в том числе сопоставительных исследований на естественных и искусственных системах.

Ориентиром здесь может служить естественное развитие биосистем в филогенезе и онтогенезе - надстраивание на нейросетевом основании нового психологического уровня и его поэтапное усложнение. При этом необходимо ориентироваться на этапы развития как нервной системы, так и психики. Это позволит развить психологические формы работы нейросетей как логичное продолжение нейроинформатики.

Слабая изученность психологической формы информации также определяет иной порядок разработки подхода к моделированию. Если для нейросети можно было сразу разрабатывать технические методы моделирования известных нейронных структур и функций, а также оценивать возможные преимущества такого способа переработки информации, то для психики сначала надо определить подход к пониманию сущности объекта моделирования, и затем на его основе разрабатывать методы реализации и оценивать возможные особенности и преимущества этой системы переработки информации.

Формулирование базовой психологической гипотезы здесь важно и потому, что сейчас известны десятки описательных определений психики и психических явлений, соответствующих разным психологическим школам, и среди них нет ни одного определения, учитывающего нейрональный базис психики биосистем и достаточно формализованного для использования в технических средствах моделирования. В нашей работе психика биологического организма рассматривается как специфическая система единиц информации, существующих на основе нейрофизиологических сигналов (импульсов). Это качественно новое целое - система, непосредственным субстратом которой является информация, приобретающая в этом целом новые системные (психологические) качества. Форма этой системы образована отношениями между единицами информации, аналогичными отношениям между отражаемыми объектами. Эти отношения также являются единицами информации - об отношениях между реальными объектами. Данная аналогия в организации психики и отражаемого мира определяет как объективность психического отражения, так и адекватность психического управления биосистемой.

Основу организации психики составляют отраженные в ней отношения обобщения между общим типом объектов и его частными случаями. Эти отношения позволяют субъекту адекватно взаимодействовать с любым новым объектом того же типа, как с уже известным, и обеспечивают целостность отражения мира и отдельных объектов во времени и пространстве. Последнее обстоятельство определяет специфику психической формы информации, обусловленную ее включением в качественно новое целое, объединяющее во времени и пространстве единичные нейрофизиологические сигнальные отражения.

В пользу такого понимания психического отражения говорят данные психофизиологических исследований, показавших, что для возникновения психического образа необходима обработка сигнала в ассоциативных зонах мозга и повторный вход возбуждения в зону первоначальной проекции сигнала [1]. В соответствии с нашей гипотезой, эти два функциональных механизма обеспечивают обобщение сигнала соответственно в пространстве объектов и во времени, с формированием психического образа - отражающего объект как частный случай некоторого общего типа (отраженного в памяти ассоциативных зон) и/или как частное состояние некоторого изменяющегося объекта (отражаемого в циркулирующем сигнале).

Простейший пример нового качества информации в составе целостной психики, ее несводимости к нейрофизиологическим сигнальным формам - это изменения в передаче сигнала от рецептора к эффектору. Психическая форма организует и направляет эти сигналы иначе - с учетом отражения в психологическом образе нового качества частного объекта - теперь еще и как варианта некоторого известного более общего типа, имеющего множество дополнительных свойств (объективных и субъективных), не представленных в рецепторном сигнале. В этом уже проявляется нисходящая детерминация психической формы отражения - ее влияние на нейрональное отражение мира. И объяснить это можно только выйдя за рамки нейрональной и сигнальной терминологии - более или менее явно ссылаясь на психические явления, не представленные прямо ни в нейронах, ни в их связях.

Такой качественно новый системный характер психики может быть причиной "необъяснимости" поведения некоторых искусственных нейросетей. Видимо, в этих случаях на базе нейросети формируется определенная психологическая система новых знаний и навыков, без выявления которой, адекватное и полное объяснение поведения сети невозможно. В пользу такого предположения говорит тот факт, что обобщение в нейросетях реализуется и сейчас, при классификации воспринимаемых сигналов и их комплексов.

Но для использования всех преимуществ психической формы информации необходимо перейти от классификации к целенаправленной разработке механизмов информационного обобщения, лежащего в основе психических явлений. В частности, обобщение в пространстве объектов необходимо дополнить обобщением во времени. Сейчас жизнь нейросети "отрывочна" и не позволяет наблюдать и обучаться изменению объектов во времени так, как это делает живой организм. Для нейросети каждый объект в каждый цикл обработки введенных данных воспринимается как "совершенно новый". Отсюда и невозможность полноценного прогноза - основанного не на "узнавании" признаков будущего в настоящем, а на формировании развивающихся психических образов, отражающих реальные объекты в их развитии и взаимодействии.

Еще одна особенность психической организации организма по сравнению с "допсихическими" формами живого, определяющая особое место носителей психики в ряду биологических систем - это "надсубъектная" обобщенность и объективность психических переживаний. Психические явления, определяемые свойствами отражаемых объектов и организацией нейрональных процессов отражения, могут быть реализованы в идентичной форме на разных нейронных структурах разных субъектов. То есть, подобно абстрактным закономерностям геометрии, психическая форма отражения представляет собой абстрактную форму организации информации, общую для всех возможных субъектов. Это дает возможность развития общей психической (духовной) жизни субъектов (аналогично тому, как геометрические формы и законы объединяют физические объекты в идеальное геометрическое "сообщество"). Всеобщее единство абстрактной сущности психического отражения и всех его возможных форм (образов, побуждений и т.п.), а также объективность их содержания как единиц информации о реальных объектах, позволяет индивидам, обладающим психикой, видеть и понимать мир в основе своей аналогично, и благодаря этому понимать психическую жизнь другого. В отношении моделирования это означает возможность не только психологического понимания человеком искусственной системы, но и социального взаимодействия моделей для получения необходимого результата "общими усилиями".

Существуют и преимущества, которые визуализация психических явлений может дать даже успешно действующей нейросети. Прежде всего, это адекватное средство обеспечения логической прозрачности сети и получения новых знаний из обрабатываемых данных. Логические связи и новые знания (образы, понятия и их системы) могут быть представлены на психологическом уровне нейросети в виде систем психологических явлений, понятных человеку. В отличие от процедуры контрастирования, выявление психологического содержания нейросети даст не только более полную и точную картину ее знаний и навыков, но и представит их в адекватной пользователю форме, а не в виде матрицы весов наиболее значимых связей, которую еще надо интерпретировать.

Этот краткий обзор особенностей психической формы информации позволяет только в общем виде оценить те преимущества, которые психика дает живым организмам и которые могут быть полезны искусственной системе и ее пользователям. Более детальный психологический и технический анализ позволит не только конкретизировать эти преимущества, но и дополнить их новыми возможностями обучения, целенаправленной деятельности и других проявлений психики.

Подходы к моделированию психических явлений рассматриваются во многих исследованиях, связанных с моделированием биосистем - прежде всего в области искусственного интеллекта и нейроинформатики. В работах по искусственному интеллекту безуспешность воссоздания психики, видимо, обусловлена ориентацией не на сущность элементарных психических явлений, а только на их сложные системы. Это аналогично попыткам моделирования нейросети без воссоздания ключевых свойств нейронов и позволяет копировать только внешние функции блоков системы на относительно поверхностном уровне. В нейроинформатике же обычно подразумевается, что движение к психике заключается в повышении количественных параметров нейросетей и копировании архитектур функциональных блоков нервной системы - типа сенсорных или моторных подсистем. Этот подход к психическим явлениям практически не учитывает их качественное своеобразие, поиск и воссоздание которого важнее архитектур мозга.

Ведь специфичность и относительная самостоятельность каждого уровня организации позволяет воссоздавать его сущность, опираясь только на системообразующие (внешние) функции его элементов, без копирования их внутренней структуры. Видимо, сейчас, как и при переходе от сложной модели отдельного нейрона к первой сети упрощенных формальных нейронов, надо взять за основу только информационную сущность и внешние связи элементарных психологических явлений, реализуемых для начала на упрощенных нейросетях. Это требует разработки математических средств выявления простейших обобщенных и частных психических явлений, формирующих внутренний психический мир "обычной" нейросети. Далее возможно выделение систем этих явлений, а также их взаимодействий и преобразований - психических процессов, составляющих внутреннюю психическую жизнь субъекта.

Первым шагом к реализации предложенных выше идей стала программа NPS (NeuroPsychological System), разработанная как простой и наглядный нейроимитатор - база для психологической надстройки. В качестве учебного пособия, а также с целью отладки и обсуждения программа в несколько сокращенном виде представлена в сети Internet на сервере СПбГУ (www.nps.pu.ru). Эксперименты с простыми нейросетями, управляющими моделью организма в искусственной среде, уже позволяют выявлять на психологическом уровне информационные структуры, интерпретируемые как простейшие образы и побуждения - отражающие пищу, опасность, побуждения к разным действиям. Это соответствует этапу элементарной сенсорной психики в филогенезе биологических систем по классификации А.Н. Леонтьева [2]. В ближайших планах - переход к этапу перцептивной психики, отличающейся целостным восприятием отдельных объектов среды. Отлаженные алгоритмы выявления психологического уровня нейросети далее планируется реализовать на базе мощной нейросетевой программы или на нейрокомпьютере.

Анализ информационных элементов психики как системы позволяет предположить в перспективе возможность отхода от нейросетевой основы. Нейроны - непосредственный субстрат нейросети, поэтому для ее модели они могут воссоздаваться на любой основе (в т.ч. на математических объектах, не имеющих ничего общего с биохимическим субстратом нейронов). Психика как информационная система основана на других элементах - единицах информации, и этот непосредственный субстрат может быть воссоздан как на базе нейросети, так и более прямым образом, на базе математических объектов, с определением функций и связей каждой модели "психоэлемента" аналогично функциям и связям модели нейрона.

Это может привести к новому этапу развития нейроматематики, когда математический аппарат выявления психических элементов на основе нейросети преобразуется в "психоматематику", описывающую законы "психосети" таким же точным математическим языком, каким в нейроматематике описываются законы нейросетей. Отмеченная выше необходимость объединения психологических исследований и моделирования для развития данного направления информатики позволяет рассчитывать на его значительный вклад в теоретическую психологию, находящуюся в "системном кризисе" из-за отсутствия единого фундамента точных знаний о субстрате и организации психики [3]. Если успехи нейроматематики в ограниченной степени отразились на развитии нейрофизиологии, где базовые знания о субстрате и организации нервной системы уже получены, то психоматематика может не только дать психологической науке отсутствующую у нее "точку опоры", но и стать важной составляющей качественно нового этапа в развитии психологии как точной науки.

Литература

1. Иваницкий А.М. Главная загадка природы: как на основе работы мозга возникают субъективные переживания // Психологический журнал, 1999, том 20, # 3, с. 93-104.
2. Леонтьев А.Н. Проблемы развития психики. Москва, Издательство МГУ, 1981.
3. Юревич А.В. Системный кризис психологии. // Вопросы психологии, 1999, # 2, с. 3-11