Geum.ru

Машина как средство познания себя

Вид материалаКнига

Содержание


Первое приближение. Аппаратный уровень
Подобный материал:
1   2   3   4   5   6   7   8   9

Первое приближение.
Аппаратный уровень


Итак, приступим к вскрытию. Первое, что мы наблюдаем, откинув крышку коробки (черепной), - это от 80 до 100 миллиардов нейронов (у меня - 102 млрд). Можно пересчитать, но проще поверить на слово. Если мы примем, что каждый нейрон - 1 бит, то это всего лишь 10 Гбайт. Так себе сервер...

Часто приходится встречать мнение, что ресурсы мозга используются лишь на несколько процентов. Уверяю вас - это заблуждение. Я готов согласиться с тем, что они используются не самым рациональным образом, но они используются все. Почему? Если бы они не использовались, то почернели и отвалились бы в результате эволюции.

Эволюция не позволяет развиваться ненужным органам. Наши предки в свое время лишились хвостов и замечательного волосяного покрова за ненадобностью, а объем мозга и, следовательно, количество нейронов только увеличивались в течение последних нескольких миллионов лет. С другой стороны, придется признать, что функции большинства нейронов неясны. И, действительно, в простейшей логической деятельности нашей фронтальной личности задействованы менее 1 Гбайт ресурсов (так себе рабочая станция). Следует учитывать, что 1 нейрон - это не совсем 1 бит. Здесь необходимо сказать несколько слов об устройстве нейрона, не перегружая особенно читателя избыточной информацией.

Автору этих строк лет пятнадцать тому назад довелось участвовать в разработке элементов для интегрально-оптических схем, моделирующих нейристорную логику. Нейристором обычно называют прибор, имитирующий свойства нейрона. Эти исследования были прекращены по ряду причин. Но сейчас мы говорим не об этом.

Каждый нейрон имеет длинный отросток, называемый аксоном. По сути аксон является электрохимическим проводником нервных импульсов. Сигнал, распространяясь по аксону, создает позади себя зону рефрактерности, т. е. область, запрещающую или, точнее, не поддерживающую энергетически распространение других сигналов. Зона рефрактерности - это отрезок "уставшего" от прохода предыдущего импульса аксона. Аксон успевает "отдохнуть" за доли секунды и вновь восстанавливает проводимость. Аксоны различных нейронов пересекаются, формируя аксон-синапсные связи - своего рода стыки или разъемы. Так формируется нейронная сеть, состоящая из отрезков аксонов и аксон-синапсных узлов-пересечений.

Сигнал в нейронной сети может разветвляться и распространяться по нескольким направлениям, а может и затухать, если попадает в зону рефрактерности, оставленную другим, ранее прошедшим сигналом. Анатомически структура аксонов и аксон-синапсных узлов, формируется генетическими механизмами. Таким образом строится распределенный пространственный процессор, объединяющий в себе как свойства собственно процессора, так и оперативной памяти. Обработка данных в таком процессоре происходит на пересечениях информационных потоков, где они могут взаимно коммутировать друг друга. Информационные потоки могут быть динамически зациклены, т. е. входящий информационный поток, например передаваемый по зрительному нерву (а это жгут из аксонов), может проходить через циклически повторяющийся поток управляющих коммутационных сигналов, изменяя свои свойства. При этом используется весь объем мозга, по крайней мере как активная среда. Так, например, зрительные образы проецируются с сетчатки глаз на затылочные области коры головного мозга, а черепная коробка является своеобразным резонатором для биоэлектрических волновых процессов.

Во всем этом большую роль играют периодические циклические процессы типа стробирования и сканирования. Их периоды задаются различными ритмами с частотами от единиц до десятков герц (какие там мегагерцы!). Именно эти ритмы и пишут энцефалографы. Их резонансы с внешними периодическими воздействиями световых или звуковых сигналов порождают много интересных явлений. В них кроется причина воздействия ритмичной музыки, инфразвукового оружия (от чувства немотивированного страха до остановки сердца) и вспышек стробоскопа, способных вызвать приступ эпилепсии.

Это самые простые примеры влияния внешних ритмических процессов на механизмы работы мозга, хотя и в них уже много неясных моментов. На самом деле эти же механизмы отвечают и за более сложные процессы.

Известно, что многие математические модели устройств распознавания образов используют математический аппарат преобразований Фурье. Это связано с инвариантностью Фурье-образов или спектров относительно поворотов, сдвигов и растяжения. То есть исходный объект может быть сильно изменен названными преобразованиями, а его спектр останется при этом неизменным, что позволяет проводить его сравнение с эталоном, например, при помощи операции свертки. Разработано большое количество разнообразных устройств, реализующих операции Фурье-преобразования и свертки на аппаратном уровне, например за счет дифракции света на динамических решетках, образованных акустическими ультразвуковыми волнами.

Подобные процессы происходят и в нашем нейронном процессоре. Так, человеческое ухо передает в мозг информацию именно о спектре акустических колебаний, т. е. является аппаратно реализованным фурье-преобразователем. Как известно, по силе воздействия на внутренний мир человека "одной любви музыка уступает". О любви - в другой раз, а вот с музыкой все более или менее ясно. Затея Сальери "проверить алгеброй гармонию" изначально была обречена на провал. Проверять надо было не алгеброй, а гармоническим анализом Фурье (он так специально и называется). Речь идет опять о динамических матрицах, на которых и происходит первичная обработка информации. Они сначала модулируются психологическим состоянием композитора, а затем, дважды пройдя преобразование Фурье, то есть вернувшись к исходной спектральной форме, сами модулируют внутренние эмоциональные и психические состояния слушателей.

Воздействие музыки определяется резонансами и синхронизацией внутренних ритмов головного мозга за счет затягивания частоты гармониками ритма музыки (или их сбивкой, например синкопирование в джазе). Подобным образом, но через зрительное восприятие оказывает влияние и изобразительное искусство. Особенно очевидно это на примере орнаментов - периодических образов, формирующих циклические матрицы.

Главным отличием нейристорных схем с распределенными параметрами от цифровых с сосредоточенными логическими вентилями является высокая степень запараллелености потоков информации и многоканальность, т. е. нейронный процессор работает не с 16- или 32-битными словами, а с существенно более длинными, причем переменной длины. Однако это преимущество нейронной схемы компенсируется значительно большими (в 105-106 раз) тактовыми частотами электронных схем.

Вторым существенным отличием является то, что в нейристорной схеме трудно разделить процессор и оперативную память. Процессор работает со всей оперативной памятью одновременно. Собственно, вся оперативная память является динамически программируемым процессором. Это динамическое программирование осуществляется циклически циркулирующими информационными потоками, которые сами могут изменяться под воздействием коммутируемой информации. Поэтому не совсем корректно выделять обрабатываемый поток и коммутирующий поток или динамическую матрицу. Это разделение справедливо только в первом приближении, а вообще приходится говорить о многомерном динамическом информационном процессе, характеристики которого могут изменяться под воздействием внешних сигналов.

Кстати, из всего вышеизложенного следует, что дальнейшее совершенствование процессоров, вне зависимости от конструктивных решений, будет идти в направлении увеличения числа регистров и слияния их с ОЗУ, а также по пути повышения разрядности, вплоть до плавающей длины, что и подтверждается появлением последних 64-битных новинок.

Но наша цель - не построение прогнозов, поэтому обратим особое внимание на динамические матрицы, формируемые циклическими информационными потоками. Очевидно, что существуют механизмы их записи, хранения и инициализации в необходимый момент времени. Точно так же, как и механизмы записи, хранения и поиска образов, полученных от рецепторов, например зрительных. Собственно, работа мозга заключается в операциях над этими двумя основными видами объектов - образами (репликами состояний рецепторов), формирующими ощущение "здесь-теперь" как в момент получения информации от рецепторов, так и при воспоминании их, и динамическими матрицами, содержащими алгоритмы обработки образов. Сравните с файлами данных и программ (*.exe). Просто здесь различие между ними более условное.