Моделирование механизмов человеческого мышления. Модели нейронов

Мозг человека является сложнейшей из существующих систем переработки информации. В нем содержится около 1011 нейронов, участвующих в 1015 передающих связях, имеющих длину до одного метра и более. Каждый нейрон обладает многими качествами, общими с другими элементами тела, но его уникальной способностью является прием, обработка и передача электрохимических сигналов по нервным путям, которые образуют коммуникационную систему мозга.

Американский ученый Стаффорд Бир отмечает: "Мозг является ... вычислительной машиной, более миниатюрной, менее быстродействующей и еще, вероятно, пока более гибкой, чем обычные вычислительные машины. Эта живая вычислительная машина представляет собой электрохимическое устройство весом в три фунта (≈ 1361 г), слегка щелочной реакции, которое, используя энергию глюкозы, развивает мощность в 25 Вт и оперирует 10 миллиардами логических элементов". При этом мозг чрезвычайно надежен: ежедневно погибает большое количество (около 105) нейронов, а мозг продолжает функционировать. Обработка больших объемов информации осуществляется мозгом очень быстро, за доли секунды, несмотря на то, что нейрон является медленно действующим элементом (его время реакции - несколько миллисекунд).

Головной мозг состоит из 3-х основных частей: ствола мозга, мозжечка и больших полушарий (см. рис. 1.1).

 Рис. 1.1. Головной мозг человека

Функции отдельных частей мозга следующие:

- ствол мозга: функции самосохранения организма, управление деятельностью внутренних органов, вестибулярные центры, обеспечение дыхательных движений, зрение, обмен веществ, регулирование температуры тела и др.;

- мозжечок: координация движений конечностей;

- большие полушария: функции высшей нервной деятельности: мышление, обучение, память;

- спинной мозг: двигательные функции.

Кора головного мозга, или серое вещество ( толщиной 2- 4 мм), состоит из большого количества нейронов; содержит много извилин, борозд, складок. На поверхности коры различают до 50 различных областей (полей) на каждом из полушарий. Находящееся под корой белое вещество состоит из длинных отростков нейронов - аксонов (система "соединительных кабелей", связывающих различные части головного мозга).

Сегодня хорошо изучена структура и функции отдельных нейронов, имеются данные об организации внутренних и внешних связей между нейронами, однако совсем мало известно об участии различных структур в процессах переработки информации.

Схематично нейрон можно изобразить следующим образом (см.рис. 1.2).

Рис. 1.2. Биологический нейрон

Нейрон имеет тело (сому) 1, дерево входов (дендриты) 4 и выходов (аксон) 2 и его окончания. Сома имеет поперечный размер в несколько десятков микрон. Дендриты имеют длину порядка 6 мм, они сильно ветвятся, пронизывая большое пространство в окрестности нейрона. Длина аксона может достигать одного метра. Начальный сегмент аксона 3 сильно утолщен (холмик аксона). По мере удаления от клетки он постепенно сужается. и на расстоянии нескольких десятков микрон на нем появляется миэлиновая оболочка, имеющая высокое электрическое сопротивление. На соме и на дендритах располагаются окончания аксонов, идущих от других нервных клеток, называемых синапсами 5. Принятые синапсами входные сигналы подводятся к телу нейрона. Здесь они стремятся возбудить нейрон, другие - воспрепятствовать его возбуждению. Когда суммарное возбуждение в теле нейрона превышает некоторый порог, нейрон возбуждается, посылая по аксону сигнал другим нейронам. Передача информации по нейронам осуществляется с помощью импульса напряжения амплитудой 50 - 150 милливольт. Скорость передачи импульса нейроном колеблется при этом от 0,5 м/с ( в коротких аксонах) до 100 м/с ( в длинных аксонах). Нейрон может находиться в двух состояниях: возбужденном (формирование импульса) и невозбужденном (отсутствие импульса).

Схема представления искусственного нейрона приведена на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Искусственный нейрон

Искусственный нейрон имитирует в первом приближении свойства биологического нейрона. На вход искусственного нейрона поступает некоторое множество сигналов, каждый из которых является выходом другого нейрона. Каждый вход умножается на соответствующий вес, аналогичный синаптической силе, и все произведения суммируются, определяя уровень активации возбуждения нейрона.

Согласно определению У.Мак-Каллока и В.Питтса (1943 г.), формальный нейрон - это элемент, обладающий следующими свойствами:

- он работает по принципу "все или ничего";

- он может находиться в одном из 2-х устойчивых состояний;

- для возбуждения нейрона необходимо возбудить некоторое количество сигналов, не зависящих от предыдущего состояния нейрона;

- имеет место задержка прохождения сигналов в синапсах в течение некоторого времени t;

- имеются два вида входов: возбуждающие и тормозящие;

- порог возбуждения предполагается неизменным;

- возбуждение любого тормозящего синапса предотвращает возбуждение нейрона, независимо от числа возбужденных сигналов.

Эту модель формального нейрона в 1958 года Мак-Каллок усовершенствовал. В новой модели тормозящие входы (волокна) по своей значимости эквивалентны возбуждающим. Допускаются флуктуации порога срабатывания. Но главное отличие - введение запрещающего входа, осуществляющего взаимодействие между входами нейрона.

Из-за присущих ему пороговых свойств формальный нейрон Мак-Каллока-Питтса стали называть пороговым элементом. Теория этих элементов, послужила основой для формирования новой дисциплины - пороговой логики.

Дополнительная информация



ZZZZZZZZZ