Пользователь
0,0
рейтинг
20 сентября 2012 в 19:47

Нейробиология и искусственный интеллект: часть вторая – интеллект и представление информации в мозгу

Продолжение.

Начало здесь: Нейробиология и искусственный интеллект: часть первая — ликбез,
и здесь: Нейробиология и искусственный интеллект: часть полуторная – новости от Blue Brain Project.

Теперь, вооружившись новым знанем, можно порассуждать о том, каким образом транспорт ионов через мембраны приводит к интеллекту и сознанию. Правильного, полного и четкого ответа пока никто дать не может, так что будем рассматривать текущую ситуацию на примерах.

Хочу напомнить, что данная серия статей не претендует на детальное описание всех процессов, вовлеченных в когнитивную деятельность мозга, а является описательной, дабы дать интересующимся представление о принципах работы мозга, интеллекта и сознания.

И как же интеллект связан с деятельностью нейронов?







Рис. 1. Источник: UC Irvine, CA

Что же такое интеллект?

Вики: Интеллект (от лат. intellectus — понимание, познание) — это разум, рассудок, умственные способности: учиться из опыта, приспосабливаться, адаптироваться к новым ситуациям, применять знание, чтобы управлять окружающей средой или мыслить абстрактно (из Encyclopedia Britannica). Общая способность к познанию и решению проблем, которая объединяет все познавательные способности индивида: ощущение, восприятие, память, представление, мышление, воображение (из Словарь методических терминов).

Английская википедия дает сразу списком варианты определения интеллекта различными учеными и группами, среди которых наиболее интересными кажутся следующие:
философское:
— общая способность индивида к целенаправленному действию, рациональному мышлению и эффективному взаимодействию с окружением (David Wechsler).
— целенаправленное адаптивное поведение (Sternberg & Salter).
прикладное:
— результат процессов сбора, хранения, доступа, комбинирования, сравнения и использования в новых контекстах информации и умений (Lloyd Humphreys).
абстрактное:
— способность справляться с когнитивной сложностью (Linda Gottfredson).
антропоцентрическое:
— уникальная склонность человеческих существ изменять структуру их когнитивных функций для лучшей адаптации к меняющимся условиям жизненных ситуаций (Reuven Feuerstein).

Американская ассоциация психологов предлагает следующее определение (которое, по-моему, наиболее часто встречается в статьях):
“Индивиды отличаются один от другого в своей способности понимать сложные идеи, эффективно адаптироваться к окружающей среде, учиться из опыта, участвовать в различных формах размышлений, преодолении сложностей путем обдумывания” [1].

Получается, что точного определения нет, а чтобы что-то начать измерять, нужно это что-то детально себе представлять, и уж еще сложнее что-то сделать, у чего нет четкого ТЗ. Поэтому общую проблему интеллекта дробят на подзадачи и уже их пытаются решить, или найти области мозга, ответственные за них. Наиболее распространенный метод изучения функций какой бы то ни было области мозга – найти человека, у которого она не работает (инсульт был или повреждение) и посмотреть чего в его поведении не хватает. Потом результаты множества таких исследований собирают вместе и смотрят, что же получилось.
А получается, например, что общий интеллект (general intelligence – такая придуманная мера, основанная на результатах тестирования людей) не сосредоточен в какой-то одной области мозга, а вполне себе распределен по разным областям и соединениям между ними и “зависит от работы всего мозга” [2]. Это, в свою очередь, приводит нас к выводу, что способности мозга зависят от того, насколько мозг может интегрировать разрозненную информацию [2]. Что подтверждает выдвинутую ранее теорию [3] о связи интеллекта со способностью информации “путешествовать” по разным областям мозга (рис. 1). Таким образом, мало иметь возможность управлять вниманием, работать с памятью и языком, надо все это дело эффективно друг на друга завязать.

Однако, остается непонятно, а получится ли сильный ИИ (strong AI – концепция ИИ, аналогичного по способностям человеческому мозгу) если мы возьмем модули памяти, внимания, языка и т.д., и просто соединим их. И как их нужно соединять, чтобы начался тот самый процесс интеграции информации.

А что же есть информация с точки зрения мозга?





Рис. 2 Источник: cidpusa.org

Возьмем, например, глаз. В нем есть сетчатка, на которую проецируется текущее изображение. Сетчатка состоит из светочувствительных клеток (порядка 120 млн штук трубочек/палочек и колбочек), соединенных со зрительным нервом (через несколько слоев других нейронов) интересным способом (рис 2): заметьте, сначала свет должен пробиться через нервные волокна, а потом только зарегистрируется светочувствительными клетками. Из такой организации следует и природа слепого пятна.

А что же передается по зрительному нерву? А по нему уже передаются action potentials (АР), причем в виде серий импульсов. Причем, было замечено, что у большинства клеток есть свет с “любимой” длиной волны, который увеличивает частоту следования АР, в то время как свет другой длины волны – уменьшает частоту. Соответственно, есть клетки, которые любят более длинноволновое излучение, а есть – любящие коротковолновое [4]. Отсюда следует возможность видеть различные цвета (и, собственно, способ их кодировки). Тут стоит еще отметить, что в один нейрон оптического нерва вещают несколько светочувствительных трубочек и/или колбочек с определенной области (receptive field), причем сигналы из центра этой области и с ее периферии, как правило, антогоничны, т.е. если центр возбуждает нейрон, то периферия наоборот глушит. Получается, что в оптическом нерве как бы два информационных “канала”, один из которых отвечает усилением активности на сигналы светлее фона, а другой – на сигналы темнее фона. Такая организация позволяет реагировать не на общий уровень освещения (как в цифровых камерах), а на локальное изменение освещенности, тем самым повышая динамический диапазон (вот почему мы видим в HDR и откуда берут начало зрительные иллюзии, построенные на освещении).
На данном этапе только спектральные характеристики пришедшей картинки передаются, никакого анализа геометрии или распознавания образов.



Рис. 3 Зрительный тракт

По зрительному нерву все это богатство передается (рис. 3) через различные структуры мозга аж на самый затылок, где и находится зрительная кора (отсюда, кстати, удорился головой – посыпались звездочки). Что характерно, правая половина поля зрения с обоих глаз передается в левое полушарие, а левая половина поля зрения опять же обоих глаз – в правое, что позволяет в области перекрытия обрабатывать сигналы с обоих глаз в одном месте (рис. 4). Но и это еще не все. Часть нервов уходит в претектум (pretectum), который отвечает за рефлекторное сужение зрачков. Но не будем углубляться в схематику ортических сигналов, в конце концов нас же интересует что сам мозг со всем этим делает, что получается интеллект и продвинутая когнитивная деятельность?



Рис. 4 Зоны зрительного тракта

Так вот, до самого визуального кортекса (striate или visual cortex) информация так и идет, как она вышла из глаза, а вот уже в кортексе начинается что-то похожее на распознование взаимного расположения сигналов. Например, были найдены нейроны, активно отзывающиеся на угол наклона предъявляемого прямоугольника (рис. 5), на его длину, направление смещения и другие простейшие аттрибуты изображения. Причем, организация таких нейронов не случайна, а очень даже последовательна и логична (рис. 6) и составляет, как бы, карту из перемежающихся слоев. В результате получается, что визуальный кортекс состоит из повторяющихся модулей, которые могут оценивать определённую область поля зрения по целому набору свойств. И такая структура может быть найдена практически во всех областях кортекса (не только визуального, но и слухового и сенсорного). Кроме того, существует дополнительное разделение путей от lateral geniculate nucleus (LGN) до визуального кортекса, основанное на двух типах приходящих в LGN нейронов (M ganglion cells и P ganglion cells). Эти два вида нейронов имеют разный размер чувствительной области (у М клеток дендриты длиннее) и скорость передачи информации, в результате чего М клетки реагируют сильнее на быстрые стимулы, а Р клетки – на медленные, плюс к этому Р клетки могут передавать информацию о цвете, а М – нет. Значение этих двух путей таково: повреждение М клеток приводит к уменьшению способности реагировать на быстрое изменение ситуации не затрагивая при этом способность видеть в цвете, в то время как повреждения Р клеток существенно влияют на качество зрения, но не влияют на реакцию на быстрые раздражители. Есть еще третий путь – через К клетки, которые в основном передают информацию о коротковолновых стимулах, но про его роль известно меньше.



Рис. 5. Отклик нейронов в визуальном кортексе в зависимости от наклона изображения.



Рис. 6. Пространственная организация нейронов в визуальном кортексе, откликающихся на определнные стимулы.

Далее информация поступает в следующие области визуального кортекса (рис. 7), где происходит по-зонная частичная реорганизация и интеграция полученых сведений: например в зоне V4 нейроны откликаются на цвет независимо от движения или направления, а в зоне МТ (middle temporal area) – наоборт, нейроны откликаются исключительно на направление движение края объекта, независимо от его цвета.



Рис. 7. Зоны визуального кортекса.

Повреждения в таких областях приводят к специфическим ощущениям у пациентов. Например, повреждение в зоне МТ приводит к “двигательной слепоте” – невозможности видеть движение: пациент описывал текущий из чайника чай, как замороженый. То есть нейроны до МТ вполне себе обрабатывают полное изображение и человек, вообще говоря, видит все поле зрения, но интеграции двигательной информации в общую картину не происходит и она теряется из сознательного восприятия. Интересный момент в том, что бессознательно такая информация может таки обрабатываться. Известны случаи, когда из-за инсульта в высокоуровневых зонах визуального кортекса человек фактически слеп, но при этом двигаясь по комнате он довольно успешно обходил предметы. Это случалось потому, что хоть пути к сознательной обработке информации были повреждены, связи между моторной и визуальной областями затронуты не были и рефлекторно человек принимал правильные решения, хотя сам объяснить их не мог.

Вот таким замысловатым образом информация достигает мозга и обрабатывается им. И вопросов тут, конечно, больше чем ответов, но, надеюсь, мне удалось хоть немного пролить свет на работу мозга и принципы обработки и интеграции информации.

UPD: забыл ссылки

[1] Intelligence: Knowns and unknowns, Neisser et al., American Psychologist, 1996, 51(2), 77–101.

[2] Distributed neural system for general intelligence revealed by lesion mapping, Glascher et al., PNAS, 2010, 107:10, 4705-4709.

[3] The Parieto-Frontal Integration Theory (P-FIT) of intelligence: Converging neuroimaging evidence, Jung et al., Behavioral and Brain Sciences, 2007, 30, 135-187.

[4] Neural mechanisms of colour vision, De Valois et al., Comprehensive Physiology, 2011, 425-456.
@netmaxed
карма
79,0
рейтинг 0,0
Реклама помогает поддерживать и развивать наши сервисы

Подробнее
Реклама

Самое читаемое

Комментарии (39)

  • +3
    Спасибо! Очень интересно всё, что связано с мозговой деятельностью, обработкой информации в нём ит.д.
    Продолжение будет?
    • +1
      продолжая свою славную традицию, промахнулся ответом :)
      • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
  • +2
    будет, куда ж оно денется :)
  • +1
    Отличнейшая статья, спасибо!
    • 0
      очень рад, что понравилось :)
  • –3
    А что по поводу того, что мозг используется на 3 процента? Или это уже не актуально?
    • +3
      это мой любимый вопрос :)
      я обычно на него отвечаю так: есть люди, у которых мозг используется периодически на 100 процентов!
      это эпилептики :)
    • 0
      В разрушителях мифов (не помню номер серии) пришли к выводу, что даже в состоянии покоя мозг активен на >10%.
      • –1
        вот тут пришли к выводу, что мозг вообще практически не чувствует разницы, работает он или отдыхает — всего 5-10%.
  • +2
    Я присутствовал на одном докладе, где представляли (на тот момент еще неопубликованные) исследования в области протезирования глаз. Докладчик решал проблему кодирования зрительного сигнала после сетчатки. Нейроны сетчатки производят некоторую первичную обработку информации, поэтому информация по зрительному нерву передается не просто в виде того, какие рецепторы засвечены или не засвечены, а более сложным образом. И вот ученые подбираются к тому, чтобы «взломать» код зрительного нерва. Приводились материалы испытаний на пациентах, которые имеют зрительные протезы. Сравнивались традиционные протезы, где информация с видеокамеры транслируется в зрительный нерв без обработки, и новый протез с вычислителем, пытающийся имитировать обработку информации в сетчатке, чтобы передать в зрительный нерв информацию в правильном, кодированном виде. Результаты — протезы с кодированием позволяют пациентам видеть значительно лучше, чем те, которые без кодирования. Детали кодирования на докладе не обсуждались, но они должны быть в публикациях на эту тему, если конечно материалы этих исследований уже были опубликованы.
    • +1
      я так понимаю, что вы об этом: «Retinal prosthetic strategy with the capacity to restore normal vision» от Sheila Nirenberg.
      Да, благодаря тому, что рецепторы вещают не напрямик в оптический нерв, а через несколько слоев других нервных клеток, определенная степень кодирования там, несомненно, присутстсвует. Но кодируется firing rate в зависимости от стимула по принципу линейно-нелинейных каскадных моделей, который зависит от спектральных характеристик стимула, о чем я и писал. Мне было важнее подчеркнуть, что оптический нерв сохраняет некое подобие картинки, хоть и закодированное, которое потом уже разбивается и комбинируется для поиска геометрических ключей.
      Если кому интересно как конкретно происходит кодирование информации в сетчатке — могу дать список литературы, а здесь же просто обзор :)
      • +3
        Как кодируется известно уже более тридцати лет. На выходе сетчатки так называемые ганглиозные клетки. Они отслеживают перекрывающиеся рецептивные поля. У круглого поля есть центр, есть периферия. Одни реагируют на освещение центра при затемненной периферии, другие ровно наоборот. В результате получается картинка, сохраняющая все контуры, но без внутренней заливки. Это позволяет сформироваться в первичной зрительной коре нейронам, реагирующим на линии под определенными углами и на концы отрезков. Так же информации задерживается (предположительно в наружном коленчатом теле) и поступает на кору со сдвигом по временной фазе, таких фаз проецируется несколько. Это позволяет сформироваться нейронам, реагирующим на движение линий под определенным углом в определенном направлении.
        • 0
          спасибо за дополнение!
        • +1
          Кстати, спасибо за классные лекции!
          Они, отчасти, меня и побудили начать выкладывать сюда основы нейробиологии :)
          • 0
            Кстати, тоже поспешу выразить свой респект AlexeyR!
        • 0
          Так это ведь в дополнение к исходной картинке должно быть, оно с потерями, а мозг вроде и заливку получает как-то… суммарный сигнал не только контуры и отличия от ранее увиденного должен включать.

          А вот интересно, сколько же ниток (аксонов) в зрительном нерве, что через него прёт в реальном времени такой видеопоток, да ещё и с дополнительными каналами, типа описанных Вами?
          • +1
            Зрительный нерв (от одного глаза) — это около двух миллионов волокон (всего-то).
            • 0
              И это на те 120 миллионов светочувствительных клеток. Это получается, даже если они всё передают лишь яркость, на каждый канал работают от 60 клеток чувствительных… Занятно. Наверняка это разменивает разрешение на количество градаций яркости, интегрируя освещенность по площади. Заодно некоторое резервирование палочек/колбочек получается. А если учесть, что там четыре канала (палочки, колбочки, контуры и изменения) — получается, что кадр максимум в пол мегапиксела переменной плотности. Всего лишь…
  • +1
    Пока нейроны организуются в визуальном кортексе, котэ релаксирует =) Забавная картинка
  • 0
    Например, повреждение в зоне МТ приводит к “двигательной слепоте” – невозможности видеть движение: пациент описывал текущий из чайника чай, как замороженый.


    а в случае подобных повреждение существует вероятность того что другие нейронные области возьмут на себя эту функцию? и если да, то какова примерно оценка и сколько времени такой процесс занимает?
    • +1
      интересный вопрос. вероятность-то существует, но про конкретные свойства нейропластичности ничего сказать не могу, надо у медиков спрашивать.
  • 0
    Как раз прочитал главу про это в «Гёдель, Эшер, Бах».
  • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
    • 0
      да, очень интересный опыт получила!
  • 0
    Я бы переводил «visual cortex» как «зрительная кора», или «зрительный участок коры головного мозга».
    • 0
      ок, спасибо :)
  • 0
    А известны уже алгоритмы обучения биологических нейронных сетей? Какие механизмы этого процесса?
    • 0
      на сколько я знаю, биологические нейронные сети как раз для того и используют, чтобы не париться по поводу алгоритмов. Их просто растят на подложке с электродами и потом подсоединяют к детекторам и моторам роботов и смотрят как оно себя вести будет.
      • 0
        Т.е. механизмы их обучения еще не открыты?
        • 0
          я вас не понимаю, вы имеете ввиду, как сами нейроны усваивают новую информацию?
          такие механизмы известны, я о них собираюсь писать чуть позже.
          • 0
            Жду с нетерпением.
  • 0
    Мне вот все интерестно в каком виде мозг Хранит информацию, а не обрабатывает ее. Ведь мы фактически можем визуально (картинкой) воспроизвести года нашей жизни в Очень ускоренном виде. Мозг работает по принципу ОЗУ получаетса? И какова вместительность мозга? Почему одни люди лучше запоминают звуки, а другие изображение? Есть литература по этой теме?
    • 0
      литературы по этой теме больше, чем адекватных мнений, к сожалению :)
      постараюсь дать обзор в будущих главах.
    • 0
      вот, кстати, новость на эту тему. Думаю вам будет, интересно.
  • 0
    Спасибо за интересный цикл статей! Вот только на рисунке 5 есть неточность, по моему. Кошке предъявляют стимул "/", тогда как максимальное количество спайков приходится на "|". Или две половинки картины не соответствуют друг другу? В любом случае, странно :)

Только зарегистрированные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.