Я исследую то, как путем самоорганизации формируются человек и мир вокруг него.
Нужно для конкретного наблюдаемого явления, наблюдаемой структуры найти внутренний механизм формирования: как взаимодействие элементов, составляющих структуру, приводит, например, к формированию организма.
Интереснее всего найти механизмы самоорганизации, приводящие к формированию нейронной структуры мозга — носителя психики животного/человека.
Основная идея: не сначала нейронная сеть формируется, а потом обучается. Нейронная сеть изначально формируется под воздействием, в потоке изменений ситуации.
На рисунке в новой ситуации новый нейрон (7), находясь в возбужденном состоянии, своими дендритами дотягивается до нейронов 1, 3, 4, возбудившихся под внешним воздействием (стрелки). Формируются возбуждающие связи для нового нейрона. В то же время старый, не возбужденный нейрон (6) обзаводится тормозящими связями. Для верхнего нейрона (8) выполняются условия возбуждения, он возбуждается. Так как нейроны 7 и 8 оказываются возбужденными одновременно, то формируется обратная связь прорастанием дендритов нейрона 7 к нейрону 8, которая становится возбуждающей для нейрона 7. Параллельно, к цепочке нейронов присоединяется новый нейрон (9), который временно находится в возбужденном состоянии. Нейрон 8 дотягивается до нейрона 9, формируя этим свою позицию в цепочке событий.
Сначала мне удалось построить (гипотетическую) модель формирования первичного распознавателя — персептрона в нейронной популяции, находящейся под воздействием потока раздражителей. Нейронная сеть растет снизу вверх, от рецепторов к коре головного мозга. Нейроны, подобно одноклеточным организмам, своими отростками тянутся по градиенту концентрации («необходимых им») веществ, выделяемых соседними нейронами при своём возбуждении. Когда дотягиваются, образуется синапс, через который предсинаптический нейрон (передатчик) может влиять на возбуждение постсинаптического нейрона (приёмника). Так формируется сеть нейронов — от тех, что ближе к рецепторам, до нейронов верхнего уровня, которые своим возбуждением фиксируют наличие конкретного комплекса ощущений — одного из тех, которые встречались при формировании нейронной сети.
В каждый комплекс ощущений входят все (и разные, разной модальности) сигналы от рецепторов, случившиеся в одно временнОе окно.
Легко себе представить, что каждый такой комплекс ощущений соответствует некоему предмету. Но тогда, как фиксируется нейронной сетью возможная изменчивость/активность предмета? Ответ на этот принципиальный вопрос мне удалось найти в том, что рецепторы реагируют не на «статику», а на изменение ощущаемых характеристик ситуации. Номенклатура изменений очень невелика: возникновение/исчезание, приближение/удаление, увеличение/уменьшение и тому подобное. А предметы выступают в роли параметров изменений. Таким образом, комплекс ощущений — это комплекс изменений ситуации, случившихся, практически, одновременно.
Вид изменения - это главная составляющая, первичный ключ. А затронутые предметы могут участвовать в разных комплексах ощущений, быть инвариантом разных комплексов ощущений.
Второй нетривиальный вопрос: как реализуется нейронной сетью логическое отрицание.
Как нейронами фиксируется комплекс ощущений, в котором некоторых ощущений «не должно быть»?
Нашелся ответ и на этот вопрос: если синапс образовался тогда, когда нейрон-приёмник был возбужден (а нейрон, «вступающий во взрослую жизнь» для нового комплекса ощущений, возбужден) и нейрон-передатчик возбужден (иначе синапс не сформируется), то связь будет возбуждающей для нейрона-приёмника. А если нейрон-приёмник не был возбужден, то связь будет для него тормозящей.
Третьей находкой оказалось естественное возникновение возбуждающих обратных связей, выявленное при попытке компьютерного моделирования.
Обратная связь формируется между нейроном, возбужденным ввиду выполненных условий для его возбуждения по уже сформированной нейронной сети, и другими одновременно возбужденными нейронами, отреагировавшими на элементы того же комплекса ощущений, среди которых находятся и нижестоящие (по пути от рецепторов) нейроны.
Возникшие обратные связи восполняют неполноту комплекса ощущений и обеспечивает «внутреннее кино».
Когда наличие комплекса зафиксировано по достаточности наблюдаемых элементов изменения ситуации, но некоторые характерные элементы не наблюдаются, тогда по обратным связям возбуждаются нейроны, соответствующие и таким (скрытым) элементам изменения ситуации. Что это даёт? Это позволяет при некоторых условиях зафиксировать другие комплексы ощущений, если для такой фиксации не хватало именно восполняемых элементов изменения ситуации. Кроме того, наличие обратных связей между верхними нейронами и нейронами, более близкими к рецепторам,объясняет явление «внутреннего кино», при котором срабатывает зрительный анализатор при «молчащих» зрительных рецепторах (галлюцинации, воображаемые картины и сновидения).
Близкие к рецепторам нейроны — это нейроны древнего мозга. Анатомические структуры, в которых они размещаются, формируются прочими тканями, включая элементы жизнеобеспечения нейронов. А вот верхние нейроны «вырываются на свободу», в подобную опухоли анатомическую структуру — неокортекс. Здесь они взаимодействуют между собой, формируя связи по уже описанным здесь правилам. Так появляются нейроны, служащие материальной основой для сложных образов в психике.
Связи между нейронами верхнего уровня служат материальной основой для ассоциативных связей между образами в психике.
В описанной модели мышление выглядит так. При изменении ситуации, на которое откликнулись рецепторы, первичные нейронные структуры производят распознавание получившегося комплекса ощущений.
Если ранее такой комплекс уже встречался, то в соответствующем месте сети нейронов верхнего уровня появляется распространяющаяся по нейронным связям волна (фронт) возбуждения/торможения нейронов. Эта волна может накатиться на моторные нейроны, которые, в свою очередь, запускают реализацию какой-нибудь настраиваемой последовательности действий организма (динамического стереотипа поведения). Одним из стереотипов поведения человека является формирование речевых сообщений, внутренней (мысли) или озвучиваемой/записываемой речи.
Если комплекс ощущений оказался новым, то к нейронной сети подключается свежий «вступающий во взрослую жизнь» нейрон. Он подключается по уже описанным правилам на том уровне (от рецепторов) нейронной сети, где новизна проявляется. А дальше — волна возбуждения начнется в новом месте сети нейронов верхнего уровня.
Но есть (среди прочих) проблема: как нейронная сеть фиксирует последовательность во времени наступления изменений ситуации? В этом тексте я намерен представить возможный вариант фиксации и использования отношения следования между изменениями ситуации.
Идея состоит в следующем: где-то в мозге всю жизнь монотонно растет удлиняющаяся цепочка нейронов. Каждое фиксируемое нейронной сетью изменение ситуации порождает в числе прочих межнейронных связей нейронную связь с верхним (на этот момент) нейроном растущей нейронной цепочки.
Такая структура позволяет возбудиться определенному верхнему нейрону (и появиться связанной с ним мысли) тремя путями: при непосредственном восприятии, при накатывании волны возбуждения, порожденной другим комплексом ощущений, и, о чем речь, в результате возбуждения нейрона растущей цепочки, к которому этот верхний нейрон «прикреплен».
С другой стороны, в число условий возбуждения определенного верхнего нейрона может включиться требование наличия в ближнем прошлом другого возбужденного верхнего нейрона. И возможно решение обратной задачи — предсказания, то есть возбуждения определенного верхнего нейрона без непосредственного восприятия соответствующего изменения ситуации, а по причине наличия определенного возбужденного предшественника.
Если темп роста обсуждаемой цепочки нейронов синхронизирован с каким нибудь из мозговых ритмов, то цепочка нейронов превращается в линейку времени.
Нашлось косвенное подтверждение реальности описанного механизма. В статье [1] описаны эксперименты по поиску нейронного обеспечения способности разделять поток воздействий на организм на отдельные эпизоды. Найдено, что изменение ситуации (воспроизведение музыки переключалось с одного из двух наушников на другой при фоновом решении испытуемыми некоей монотонной задачи) сопровождается всплеском активности нейронов так называемого «голубого пятна» - участка мозга в древней его части. Это возбуждение передается в другие структуры, как расположенные по-соседству, так и удаленные. Похоже, обсуждаемая растущая цепочка нейронов (популяция нейронов для этой цепочки) может находиться в «голубом пятне» мозга.
Популяция нейронов «голубого пятна» имеет окраску, отличающуюся от окраски окружения, что свидетельствует об особой эпигенетике и изолированности её нейронов.
Но такое допущение приносит связанные с ним трудности.
Первая трудность — это понять, как аксоны нейронов «голубого пятна» дотягиваются до отдаленных участков мозга. По моему представлению, аксон получается длинным за счет постепенного растягивания при росте организма. На ранней стадии роста аксон нейрона закрепляется в части зародыша, которая потом постепенно удаляется от расположения тела нейрона. Если это так, то нейроны, аксоны которых оканчиваются, например, в новой коре мозга, оказываются относительно старыми. Из этого получается, что в «голубом пятне» количество нейронов закладывается очень рано и на всю жизнь (как женские яйцеклетки). Это количество оценивают ориентировочно в 50 тысяч. И если все они постепенно выстраиваются в цепочку, то их хватит только на несколько «запоминаний» в день. То есть «линейка времени» получается с очень крупными делениями. Хотя, событий, которые человек называет запомнившимися, действительно, примерно столько и есть.
Вторая трудность — это понять протокол взаимодействия с верхними нейронами подсетей, распознающих изменения ситуации. Во время формирования новой временной отметки верхний нейрон цепочки возбужден. Его аксон доступен дендритам распознающих нейронов. Те из них, которые в данный момент возбуждены (то есть фиксируют изменение ситуации), могут образовать возбуждающие связи (в роли приемников). После этого, если соответствующий (бывший верхним) нейрон цепочки возбудится, то получится возбуждение нейронов, имитирующее восприятие соответствующих изменений ситуации. Для этого синапс, соединяющий нейрон цепочки с распознающим нейроном, должен быть очень эффективным, ведь обычные условия возбуждения распознающего нейрона не выполнены. Но с этим — всё в порядке: нейроны «голубого пятна» выделяют при возбуждении много норадреналина.
А вот как может реализоваться обратная ситуация: как возбуждение распознающего нейрона может вызвать возбуждение нейрона цепочки? Нужно думать.
PS. 1. Кстати, когда «перед глазами промелькнула вся жизнь», это значит, что по обсуждаемой растущей цепочке нейронов от её начала пробежала волна возбуждения. И зрительный анализатор отработал последовательность возбуждений нейронов верхнего уровня, прикрепленных к разным нейронам цепочки.
2. Явление дежавю (это — когда новое событие ощущается, как повторение ранее произошедшего) может быть проявлением неполадок в прикреплении нейронов верхнего уровня, фиксирующих новое событие, к нейронам цепочки. Оказалось, что у нейронов нового события уже есть как-то образовавшаяся связь с одним из нижних нейронов цепочки. С другой стороны, это явление может свидетельствовать о том, что обсуждаемая цепочка нейронов по разным поводам сканируется. То есть по ней от основания до наращиваемого окончания пробегает волна возбуждения.