Искусственный интеллект: современное состояние и наиболее перспективные направления
Вид материала | Документы |
- «Искусственный интеллект», 622.01kb.
- «Современное состояние и перспективы инновационного развития картофелеводства», 25.58kb.
- Прагина Л. Л. Мозг человека и искусственный интеллект, 1498.79kb.
- Преимущества эс. Задачи, 1126.03kb.
- Искусственный интеллект Лектор 2010/11 уч года: д ф. м н., проф. Гасанов Э. Э. Аннотация, 20.43kb.
- ) состоится V всероссийская конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «искусственный, 29.67kb.
- Ix национальная конференция с международным участием "Искусственный интеллект-2004",, 147.79kb.
- Юридическая ответственность судей при отправлении правосудия в российской федерации:, 341kb.
- Искусственный интеллект, 12.42kb.
- Искусственный интеллект, 1356.7kb.
3.Об исследованиях в нейробиологии и предпосылках для моделировании биологических нейронных сетейПора, однако, перейти от общих вопросов к реальным достижениям в области нейробиологии вообще и нейрокибернетики в частности. Повторимся, упомянув о том, что начало было положено в 1837 г. Яном Пуркинье, который исследовал и описал клетки мозга, идентифицировав ядро нейрона и отростки нервной клетки, названные впоследствии аксонами и дендритами.
Состояние исследований в области нейробиологии 30 лет назад в тогда еще Советском Союзе может быть отчасти проиллюстрировано фильмом «Частная жизнь нейрона» (снят в 1980 году на киностудии "Леннаучфильм", доступен здесь: ссылка скрыта (ч.1) и ссылка скрыта (ч. 2)). А теперь – наши дни:
ссылка скрыта (статья) ologyreview.com/player/07/11/19Singer/1.aspx (видео)
По результатам визуальной реконструкции данных учёные обнаружили, что каждый синапс содержит около 1000 молекулярных «переключателей», в некотором роде - аналоговых транзисторов. То есть отдельный синапс можно сравнить с микропроцессором. Получается, что количество «транзисторов» в человеческом мозге теперь нужно увеличить на три порядка. Их, по оценкам, больше, чем транзисторов во всех компьютерах на планете и маршрутизаторах вместе взятых. Результаты исследования по визуальной реконструкции данных с объёмной компьютерной томографии опубликованы в журнале Neuron. Учёные получили патент и подали заявку на второй, а также основали компанию, чтобы коммерциализировать новый метод томографии. Только что упомянутые исследования были, в основном, ориентированы на установление детальной трехмерной структуры нервной ткани, однако, статической. Уже относительно давно известно, что мозг обладает колоссальной пластичностью, и может перестраивать не только связи между отдельными нейронами, но и встраивать новые нейроны в существующую систему, что позволяет ему эффективно восстанавливаться после повреждений. Попробуем проследить, что в недавнем времени было сделано в плане изучения динамики живого мозга – как в плане изменения его структуры во времени, так и в аспекте мониторинга процессов обмена сигналами между нейронами. 2010, декабрь., статья в журнале «Proceedings of the National Academy of Sciences». (перевод с англ. - Пальянов А.Ю.) Исследования, возглавляемые профессором Z. Josh Huang, Ph.D., Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL), проливают новый свет на проблему того, как нейроны в развивающемся мозгу формируют связи друг с другом. В мозгу млекопитающих, даже на ранних стадиях постнатального (после рождения) развития, кора головного мозга уже обладает плотными «зарослями» из нервных клеток. На всем протяжении коры мириады нейронов разных типов буквально вытягивают отростки, чтобы войти в контакт с другими нейронами, расположенными поблизости – прелюдия к формированию синапсов, по которым будут распространяться сигналы от нейрона к нейрону. Одиночная нервная клетка способна сформировать множество контактов с другими, но не каждый «сосед» будет совместимым партнером, и используемый термин «валидация (проверка на корректность) синапсов» как раз относится к поиску именно правильных контактов. В ходе исследований было понято, что синапс–формирующая активность связана с собственно активностью, или частотой использования самого нейрона. Хотя механизм до сих пор остался неясным, удалось определить, что необходимость в синапсе включает комбинацию из предварительно посылаемых сообщений между двумя нейронами – что–то вроде тестирования совместимости соединения – и процесс клеточной адгезии (прилипания), который приводит к физическому контакту между двумя клетками. В описываемой работе был использован метод, называемый двухфотонной микроскопией, чтобы наблюдать процесс валидации синапсов впервые в живых контурах коры мозга. Исследователи сфокусировали свое внимание на определенном типе ингибиторных нейронов, использующих нейротрансмиттер ГАМК (гамма–аминомасляная кислота). «Вопрос в том, как формируются синапсы с правильными партнерами» и «каков механизм, ответственный за необходимую специфичность». Некоторые предполагают, что нервные клетки вырабатывают определенный тип «притягательных» или «отталкивающих» молекул. «Но когда мы находимся в коре мозга, расстояния между различными потенциальными партнерами настолько близкое, что кажется немыслимым, чтобы этот механизм был работоспособен». «Кажется более правдоподобным, что стратегия нейронов коры в том, чтобы инициировать формирование синапсов с практически каждой близлежащей целью и затем тестировать ее, пытаясь установить коммуникацию путем синаптической передачи». «Большинство из этих предварительных соединений не подтверждаются по критерию корректности и разрушаются. Только те, что образовались между функционально совместимыми нейронами будет подтверждены и усилены». Исследователям удалось пронаблюдать формирование предварительного соединения между нейронами и в деталях посмотреть, как они взаимодействовали. «Они работают, как застежка–молния: два нейрона, называемые пре–синаптическим и пост–синаптическим соприкасаются; с обоих сторон есть клейкие молекулы, которые вступают в контакт и взаимосвязываются» Их ключевое открытие касается шага, который следует за образованием предварительного контакта: пресинаптический нейрон посылает некоторое количество нейротрансмиттера к ожидающему партнеру. Но как эта нейротрансмиссия преобразовывается в молекулярную адгезию (склеивание)? Оказалось, что существуют две формы белка, ответственного за межнейронное связывание, альфа — и бета–, и они отвечают на нейронную активность различными способами. «Молекула alpha–neurexin, кажется, ведет себя как поисковая машина». Широко распределенные вдоль аксона, они ищут везде. Когда потенциальный партнер обнаружен, alpha–neurexin объединяется с нейропередающей машинерией и пресинаптическая клетка начинает высвобождать нейротрансмиттер для тестирования соединения. Если соединение функционально совместимое, то в процесс включаются молекулы beta–neurexin и образуют значительно более прочное соединение между двумя нейронами, соответствующее новому синапсу. В соответствии с представлениями исследователей, в относительно простых модельных системах, таких, как черви или мухи, межнейронные соединения довольно жестко предопределены генетическими механизмами. «Но у позвоночных, в тонких структурах, таких, как гиппокамп и кора мозга, возможно, требуется более «тонкая» система, которая может отвечать на получаемый организмом опыт. Другими словами, валидация синапсов и усиление контактов, вероятно, является системой, основанной на обучении». Планируется продолжить исследования в этом направлении и предпринять попытку выявить изменения между поведением и экспрессией молекул neurexin. В общем, по большому счету, многое здесь еще непонятно и продуктивная работа в этом направлении только начинается, но важность изучения обнаруженных механизмов сложно переоценить. Значительный интерес также представляет информация о нейрогенезе в мозге человека, представленная по ссылке (ссылка скрыта), описывающая ряд интересных фактов, которые тоже представляется крайне желательным учитывать при разработке модели биологического мозга. "Между 10 и 20 неделями беременности происходит нейрогенез: стволовые клетки, расположенные в нервном канале, размножаются и дифференцируются, образуя запас в 100 миллиардов нейронов. Затем происходит миграция между 12 и 24 неделями. Эти новые нейроны собираются в шесть расположенных друг над другом слоев. Это будущая кора головного мозга, слой извилин, который покрывает оба полушария мозга, вместилища всех развитых мозговых функций. Каждый нейрон запрограммирован на занятие определенного места и создания синапсов (зоны связей) с остальными нейронами. Согласно одной точке зрения, в один прекрасный день электрический поток впервые пробегает по этим цепям, и мозг становится функциональным, согласно другой все происходит постепенно, день за днем все больше синапсов начинают работать. "В Национальном Институте Психического Здоровья в один фильм были собраны трехмерные клише томографии людей в возрасте от 5 до 20 лет. Впервые показано, что у подростков наблюдается потеря серого вещества. С 1991 г. каждые два года дети проходили томографию. Вывод: серое вещество находится на пике между 11 годами (девочки) и 13 годами (мальчики) потом снижается, а белое вещество увеличивается в объеме. Знак, что мозг специализируется (удаление связей) и становится более эффективным (миелинизация аксонов)." Новые синапсы создаются постоянно с момента внутриматочной жизни до самой смерти под воздействием различных стимулов и обучения. Чем чаще через синапс проходит нервный импульс, тем сильнее он увеличивается в размерах и становится эффективней. Наоборот, меньше использования, ниже эффективность, возможно даже исчезновение. И еще одно открытие 2010 года, которое, являясь серьезным шагом в направлении, связанном с исследованием возможности одновременной записи активности множества нейронов в живом мозге, открывает в нем новые перспективы: Исследователи из Института Солка (США) впервые смогли проследить работу отдельных нейронов сетчатки глаза и изучить нейронный код, используемый для передачи цветной визуальной информации из сетчатки в мозг. Соотнося определенные входящие визуальные сигналы с электрическими сигналами на сетчатке, ученые отследили нейронные схемы, которые соединяют отдельные фоторецепторы с ганглиозными клетками сетчатки и нейронами, переправляющими информацию в мозг. Это позволит создать точную модель работы нашего главного сенсора и в случае необходимости вмешиваться в работу органа, добиваясь нужного эффекта – например, создавать имплантаты сетчатки с натуральными или даже усовершенствованными возможностями. До настоящего времени врачи работали с простейшими имплантатами, которые недалеко ушли от обычных очков. Подсоединение к нервной сети глаза также открывает огромные перспективы для лечения различных заболеваний. Например, в случае нарушения аккомодации можно будет без хирургического вмешательства в хрусталик или мышцы глаза просто исправить картинку программными методами – как это делает любая современная цифровая камера. Уникальная система записи нервных сигналов позволила перевести загадочные процессы в сетчатке глаза в понятные алгоритмы, которые позволят моделировать человеческий орган зрения. Сложную работу удалось успешно проделать с помощью уникальной методики записи нервных сигналов, которая была разработана в Калифорнийском университете. Она позволяет одновременно делать более десяти миллионов записей микроскопических электрических сигналов, генерируемых сотнями нейронов сетчатки, каждую секунду. Метод имеет высокое разрешение, достаточное, чтобы обнаружить даже крошечные локальные и очень плотно расположенные карликовые ганглиозные клетки. Ганглиозные клетки классифицируются по размеру, но, несмотря на их различия, все они имеют одну общую черту - длинный аксон, который простирается в мозг и является частью зрительного нерва. Обработка визуального сигнала начинается тогда, когда фотоны, попадающие в глаз, ударяют по одной или нескольким (из 125 млн) чувствительных нервных клеток сетчатки. Этот первый слой клеток, которые известны как палочки и колбочки, преобразует информацию в электрические сигналы и передает их на промежуточный слой, который в свою очередь передает сигналы на 20 (или около того) различных типов ганглиозных клеток сетчатки. Исследователи впервые одновременно записали данные с сотен ганглиозных клеток сетчатки. На основе определенных свойств (плотности и реакции на свет) были определены пять типов клеток: ON и OFF карликовые ганглиозные клетки, ON и OFF зонтиковые клетки и малые бирасслоеные (bistratified) клетки, на которые приходится около 75% всех ганглиозных клеток сетчатки. Для выявления тонкой структуры рецептивных полей (рецептивное поле - область, занимаемая совокупностью всех рецепторов, стимуляция которых приводит к изменению активности определенного элемента), через которые нейроны в сетчатке глаза "смотрят" на мир, ученые использовали световые стимулы размером в 10 раз меньше одного пиксела. В результате вместо распределенной равномерно чувствительности к свету, обнаружились точечные "острова", чувствительные к световой стимуляции и "острова", к ней нечувствительные. С помощью стимулирования места входа сигнала и скоростного считывания места выхода, удалось определить схему подключения клеток и всю структуру нейронной сети глаза, формирующей визуальное восприятие мира. Это позволило исследователям воссоздать полную картину формирования картинки на сетчатке глаза. Не менее детально исследовано и устройство нашего слухового анализатора, уха, являющегося, помимо всего прочего, аналоговым механизмом для выполнения преобразования Фурье – разложения сигнала по его спектральному составу. Тут также все более-менее понятно лишь до тех пор, пока мы не переходим к исследованию механизмов анализа полученных звуковых сигналов соответствующими областями мозга, в том числе к распознаванию речи. Таким образом, многие процессы, составляющие основу функционирования нервной системы, изучаются прямо сейчас на самом высоком технологическом уровне, прогресс не стоит на месте. Однако, большое число явлений, уже описанных, но основанных на сложнейших процессах, связанных с ними, остаются до конца не объясненными, не говоря уже о том, чтобы их воспроизвести в виде действующей компьютерной модели. Многие на первый взгляд даже кажутся очевидными, просто потому, что мы с детства привыкли к такому положению вещей и не задумывались, как это может работать: Почему мир остается стабильным, когда наши глаза двигаются? Изображения перемещаются по рецепторам сетчатки всякий раз, когда наши глаза двигаются, — и все же мы не воспринимаем движения, мир не вращается, как бы наши глаза ни двигались. Можно наклонить голову на бок - но горизонт в нашем восприятии не станет наклонным. Почему это так? Есть теория, что сетчаточные сигналы движения тормозятся сигналами, управляющими самими движениями глаз, которые, в свою очередь, регулируются внутренней замкнутой системой мозга. Т.е. сигналы, посылаемые мозгом для движения глаз служат для коррекции получаемого назад от глаз в мозг зрительного сигнала, чтобы компенсировать эффект движения. Сам факт того, что эффект имеется в наличии, можно подтвердить на собственном опыте следующим образом: Попробуйте осторожно (дотрагиваясь до века) двигать глаз пальцем, закрыв другой глаз рукой. Когда глаз смещается пассивно, мир будет казаться вращающимся (прыгающим) в направлении, противоположном движению глаза. В естественных условиях стабильность видимого мира поддерживается не пассивными, а нормальными произвольными движениями глаз. Так как мир движется в направлении, обратном направлению пассивного движения глаза, очевидно, что система восприятия движения изображение/сетчатка продолжает работать; здесь выключена только система глаз/голова. И еще одно, не менее впечатляющее наблюдение. Глаза постоянно совершают саккады (быстрые микродвижения, которые не удается остановить на сознательном уровне), что ещё больше повышает разрешение зрения — этим и объясняется такое обилие нейронов (в первичных зрительных трактах), реагирующих на движение, причём избирательно по каждому направлению, однако совершенно не относящихся к обнаружению реально движущихся объектов. Чтобы проверить эффект, надо закрыть один глаз, а на другой слегка надавить пальцем через веко, чтоб не двигался — секунд через 10 наступит полная темнота (голова при этом также должна оставаться в покое, чтобы изображение на сетчатке оставалось неизменным). Лучше смотреть на что–нибудь не слишком ярко освещенное, не на улице, а в комнате. Проверяя на экране монитора, можно заметить, что действительно исчезает все, кроме мигающего значка активности сети, остальное превращается в однотонное темно–серое поле. Об этих и других не менее интересных фактах и объясняющих их теориях существует прекрасная книга – «Разумный глаз» Р.Л. Грегори. Автор является профессором бионики Эдинбургского университета, одним из крупнейших в мире специалистов по психологии зрения. Отвечая на вопрос, «каким образом мозг извлекает сведения о внешнем мире из некоторого узора пятен света на сетчатке глаза», автор компетентно и увлекательно рассказывает о связях между важнейшими факторами восприятия, о сложнейшем многогранном процессе зрительного мышления. Текст богато иллюстрирован рисунками, которые позволяют читателю самостоятельно проверить многие факты. Предмет освещается с различных, часто неожиданных сторон, и потому книга представляет интерес для широкого круга читателей, и, несомненно, для современного исследователя, работающего в области искусственного интеллекта, эти знания будут весьма полезны. Темы, которые обсуждались в рамках данного раздела, были посвящены описанию прогресса и нынешних возможностей в области экспериментальной нейробиологии, а теперь пришло время поговорить о создании моделей биологических нейронных сетей, основанных на подобного рода данных и знаниях. Сложно переоценить значимость, к примеру, действующей модели зрительной системы, основанной на глубоком знании нейробиологических механизмов – она, наконец-то, позволила бы искусственным системам компьютерного зрения приблизиться к ныне даже близко недостижимому уровню возможностей зрительного восприятия, которым наделен человек. |