Логіка свідомості. Частина 6. Кора мозку як простір обчислення смислів

Що таке інформація, як знайти прихований в ній сенс, що взагалі є сенс? У більшості тлумачень информацию зіставляють з повідомленням або з даними, використовуючи ці слова як синоніми. Повідомлення зазвичай передбачає конкретну форму. Наприклад, усна мова, текстове послання, сигнал світлофора тощо. Термін «повідомлення» найчастіше використовують, коли говорять про інформацію у зв'язку з її передачею. Під даними зазвичай мають на увазі інформацію, для якої визначена форма її зберігання або передачі. Наприклад, ми говоримо про даних, коли згадуємо запису в базі даних, масиви в пам'яті комп'ютера, мережеві пакети тощо. Сам термін «інформація» ми воліємо використовувати, коли немає необхідності загострювати увагу на способі її передачі або формою подання.

Інформація, щоб бути використаною, повинна отримати інтерпретацію. Наприклад, червоний сигнал світлофора можна інтерпретувати як заборона їхати, посмішку як сигнал гарного розташування тощо. Конкретна інтерпретація називається змістом інформації. Принаймні, такого трактування дотримується міжнародна організація по стандартизації: «knowledge concerning objects, such as facts, events, things, processes, or ideas, including concepts, that within a certain context has a particular meaning».

Для однієї і тієї ж інформації можуть існувати різні інтерпретації. Трактування повідомлення «натиснута кнопка живлення комп'ютера» залежить від того, в якому стані, включеному чи ні, комп'ютер знаходився до натискання. Залежно від цього інформація може трактуватися як «включення», або «вимикання».

Обставини, які визначають, як повинна трактуватися та чи інша інформація, прийнято називати контекстом. Трактування інформації існує тільки в певному контексті. Відповідно, виявлений в інформації сенс також відноситься до певного контексту.

Одна і та ж інформація може в різних контекстах мати свій сенс. Наприклад, на цьому будуються всі афоризми: «Вікно у світ можна закрити газетою», «З нулів легко зробити ланцюг», «Кажуть, що втратив зуби кілька вільніше мова» (Станіслав Єжи Лец).

Яка інтерпретація буде обрана людиною для тієї чи іншої інформації, багато в чому, визначається його особистим досвідом. Хтось може побачити одне, хтось інше: «коли дурневі показують на зірки, дурень бачить тільки палець» (фільм «Амелі», 2001).

Наведене співвіднесення інформації, контексту і змісту інформації інтуїтивно досить зрозуміло і добре узгоджується з нашим повсякденним досвідом. У попередній частині я спробував показати, як все це може бути перенесено на формальну модель з нескладними правилами:

  • У суб'єкта є кінцевий набір понять;
  • Будь-опис – це набір понять;
  • Контекст – це набір правил переведення одних понять у інші;
  • Трактування – це нове опис, отримане в контексті, після застосування правил перетворення;
  • Простір контекстів — набір всіх доступних суб'єкту контекстів;
  • Сенс – це набір трактувань, які мають правдоподібний вигляд. Тобто таких, що певним чином узгоджуються з пам'яттю суб'єкта.


Уїнстон Черчілль казав: «Немає фактів, є тільки їх інтерпретації». Інформація, яка отримала коректну трактування, набуває сенсу. З отриманих трактувань можна сформувати пам'ять суб'єкта.

Якщо є приклади вхідних повідомлень і їх коректних трактувань, то можна виділити правила інтерпретації, застосовані в кожному з випадків тлумачення. Це як при перекладі з однієї мови на іншу. Одне і те ж слово в різних обставинах можна перекласти по-різному, але для конкретної пропозиції і його перекладу завжди видно, який варіант був використаний.

Якщо проаналізувати, від чого залежить вибір тієї чи іншої трактування, то виявиться, що має кінцевий набір обставин, який впливає на цей вибір. Такі обставини є контекстами. Всередині одного контексту діють узгоджені правила інтерпретації відразу для всіх понять. При мовному перекладі це відповідає тому, як тематика або предметна область визначає, який варіант перекладу доречніше.

Набір контекстів може бути отримана автоматично з кластеризації пар «початкове опис — коректна трактування». Якщо об'єднувати в класи пари, правила трактування яких не суперечать один одному, то підсумкові класи і будуть відповідати контекстів, а правила, зібрані з усіх пар класу, будуть правилами інтерпретації цього контексту.

Якщо сформовані контексти, то пошук сенсу в інформації — це визначення того, який контекст краще всього підходить для її інтерпретації. В невідповідних контекстах трактування виглядають «криво» і тільки в потрібному контексті виникає «правильне» трактування. Зрозуміти, наскільки правильно або неправильно виглядає трактування, можна по тому, наскільки вона схожа на вже зберігаються в пам'яті «правильні» трактування.

Можна виділити дві основні ідеї, пов'язані з виділенням контекстів. Перша полягає в тому, що, використовуючи контексти, ми отримуємо можливість давати розумні інтерпретації тієї інформації, яка нам раніше ніколи не зустрічалася. Так при перекладі, коли ми добре знаємо обидві мови, ми все одно не зберігаємо в пам'яті всі можливі варіанти пропозицій та їх переклади. Розуміючи контекст бесіди, ми підбираємо ті варіанти перекладу окремих слів, які найбільш підходять для цього контексту. Друга ідея — в тому, що пам'ять, тобто попередній досвід, дозволяє визначати, який контекст у даній ситуації створює найбільш коректну трактування.

Невеликий приклад: припустимо, що ми маємо справу з геометричними фігурами. Нам показали трикутник, а потім показали коло. Ми запам'ятали ці описи. Потім нам показали той самий трикутник, але зі зміщенням. Описи не збіглися. Якщо ми хочемо дізнаватися трикутник у кожному зсуві, то можна спробувати запам'ятати його опису у всіх можливих зсувах. Але це не допоможе нам потім, побачивши повторно коло, дізнатися його у зміщенні. Але можна вивчити правила, за яким змінюються опису фігур при певних зсувах. Причому ці правила будуть єдиними і не будуть залежати від конкретної фігури. Тоді нам достатньо буде один раз побачити будь-яку фігуру, щоб надалі відразу дізнатися її в будь-якому зміщенні.

Був запропонований алгоритм визначення сенсу інформації. Початкове опис в кожному з контекстів, що утворюють простір контекстів, отримує своє трактування. Тобто будується стільки можливих гіпотез трактування, скільки існує можливих контекстів. Якщо в якому-небудь контексті вийшла трактування виявиться схожа на вміст пам'яті, то така інтерпретація отримує шанс стати сенсом інформації.

Для геометричних фігур це означає, що кожен контекст зберігає правила зміни описів для конкретного зміщення. Кількість контекстів визначається кількістю можливих зсувів. Побачивши квадрат праворуч зверху, ми повинні будемо застосувати до нього в кожному контексті своє зміщення і отримати всі можливі варіанти його розташування. Якщо ми раніше бачили подібний квадрат, наприклад, в центрі, то в одному з контекстів поточна трактування збігається з тим, що було запомнено раніше.

Була запропонована обчислювальна схема. Кожен контекст обслуговується своїм обчислювальним модулем. Одне і те ж опис надходить на вхід кожного модуля. Пам'ять кожного модуля містить правила перетворення понять для свого контексту. В кожному контексті виходить трактування, яка порівнюється з пам'яттю. За ступенем відповідності трактування і пам'яті визначається, чи є контексти, в яких інформація набуває осмислений вигляд.



У попередній частині було показано, що багато види інформації, з якими стикається людина, зводяться до подібної обчислювальної схемою.

Для роботи контекстних обчислювальних модулів потрібно, щоб:
  • Інформація була представлена у вигляді набору дискретних понять.
  • Кожен контекстний модуль отримував одну і ту ж інформацію;
  • Кожен контекстний модуль мав пам'ять про своїх правилах трансформації вихідних понять в їх трактування;
  • Кожен контекстний модуль міг незалежно від інших звернутися до пам'яті, що зберігає весь попередній досвід, і зробити оцінку достовірності своєї гіпотези трактування.


Що в корі мозку може бути таким обчислювальним елементом зі своєю автономної пам'яттю? Отже, схоже, настав час поговорити про кортикальних миниколонках.

Мозок


Трохи освіжити в пам'яті загальна будова головного мозку. В основному він складається з давнього мозку, кори, білого речовини і мозочка.

Древній мозок знаходиться в центрі і займає відносно невеликий обсяг. Він називається стародавнім з тієї причини, що дуже схожий у багатьох живих істот і, мабуть, визначає основні виникли еволюційно базові функції, спільні для всіх них.


Древній мозок, біла речовина і кора мозку

Зовнішня поверхня мозку складається з тонкого шару нейронів і гліальних клітин. Цей шар називається корою мозку. Чим на більш високому щаблі еволюційного розвитку варто біологічний вид, тим сильніше розвинена у нього і кора.

Коли кора досягає великої площі, наприклад, як у людини, вона починає утворювати складки. Завдання складок — вмістити більшу за площею поверхня кори у відносно невеликий обсяг черепної коробки.

Відомо, що кора набуває свої функції в процесі навчання. Підтверджує це, наприклад, такий факт. При ушкодженні якого-небудь місця кори, наприклад, при інсульті, видалення або травмі, втрачаються пов'язані з цим місцем функції. Але з часом ці функції можуть відновитися. Заново навчитися втраченим навичкам може або частина тієї ж області кори, або таку замісну функцію бере на себе симетрично розташована область іншої півкулі.

Область кори, яка відповідає за певний функціонал, називається зоною кори. Вся кора ділиться на безліч таких зон.



Одна з таких зон – моторна зона кори, що відповідає за нашу рухову активність. Але команди, які видає ця зона, носять загальний характер. Точна моторика, тобто детальна реалізація цих команд в сигнали м'язам, виконується окремим органом – мозочком.



Мозочок отримав таку назву за те, що виглядає, як мініатюрний мозок. До речі, він не завжди мініатюрний, наприклад, у акул мозочок більше за обсягом, ніж основний мозок. Примітно, що зовнішня поверхня мозочка – це теж кора. Кора мозочка дещо відрізняється від кори мозку, але дуже ймовірно, що ідеологія її роботи має бути дуже близька до роботи кори великих півкуль.



Простір між корою великих півкуль і древнім мозком і всередині мозочка заповнений білою речовиною. Це ніщо інше, як аксони нейронів, які передають сигнали від одних ділянок мозку до інших (малюнок нижче).


Проекційні зв'язку реального мозку. Окремі «ниточки» відповідають пучками нервових волокон (Allen Institute for Brain Science)

Ці зв'язки досить добре вивчені. Вони представляють з себе не просто суцільну проекційну середовище, а щось набагато більш цікаве.

В штучних нейронних мережах, що використовують глибинний навчання, інформація передається з рівня на рівень. Зазвичай, рівня є шар вхідних нейронів, приховані шари і вихідний шар.


Приклад мережі прямого поширення

На малюнку вище зображено один з можливих варіантів, але, взагалі ж, рівень може бути всередині досить складним. Наприклад, рівень може виконувати операції згортки і мати зовсім іншу архітектуру. Але загальне у всіх рівнів те, що у них є вхідний і вихідний шар, на якому інформація кодується набором ознак. Один нейрон — одна ознака. Сукупність нейронів шару — признаковое опис. Про кожен нейрон вхідного і вихідного шару можна сказати, що йому відповідає «своя бабуся».

Щоб передати стан одного рівня мережі на інший, потрібно передати стан всіх нейронів вихідного шару вихідного рівня нейронів вхідного шару наступного рівня.

Саме передається опис виходить довгим вектором, що складається з бінарних ознак. У такому підході кількість ознак обмежено кількістю нейронів вихідного шару, а передача від рівня до рівня вимагає стільки ж «волокон-зв'язків», скільки і передавальних нейронів.

Так от, нічого навіть близько схожого немає в системі зв'язків реального мозку. Зони кори з'єднуються між собою і зі структурами стародавнього мозку тонкими пучками волокон. Волокна, складові пучок, точково виходять з одних місць і так само точково приходять інші. В кожному пучку всього за кілька сотень волокон. На малюнку вище кожна видима «ниточка» — це і є такий пучок.

Можна припустити, що інформація по таким пучкам передається не признаковым описом, де одне волокно – одна ознака, а кодом (малюнок нижче), коли візерунок активності волокон кодує будь-яке передається поняття.


Пучок нервових волокон (ліворуч) і приклад коду (праворуч)

На прикладі системи проекцій добре видно відмінність запропонованої моделі від моделей з нейронами-детекторами. Сигнал нейрона, якщо це «нейрон бабусі», передбачає вказівку на те, чи є бабуся чи її немає в поточному описі. В нашій моделі активність нейрона це просто біт в бінарному коді.

Коли виявляється, що який-небудь реальний нейрон стійко реагує на певний стимул, з цього не можна робити висновок про відповідність нейрона і стимулу. Цей самий нейрон може успішно реагувати і на інші стимули.

Передачу інформації з проекційним пучкам можна порівняти з передачею бінарних сигналів по комп'ютерним шин даних. Це досить точна аналогія. Дещо пізніше на прикладі зорової системи я наведу досить сильні докази справедливості такого припущення.

Резюмуючи сказане:
  • Мозок оперує не означальними описами, у яких активність нейронів відповідає яким-небудь «бабусям», а «цифровими» кодами дискретних понять;
  • За навчання, обробку інформації, пам'ять відповідає кора;
  • Кора складається із зон, які виконують специфічні функції. При цьому незалежно від того, які функції та чи інша зона виконує і з якою інформацією вона працює, архітектура кори залишається практично незмінною. А значить можна припустити, що і у всіх місцях кори використовуються єдині принципи роботи з інформацією, будь то кора великих півкуль або кора мозочка.


Мініколонкі кори


На зрізі кора виглядає як показано на малюнку нижче. Досить тонкий шар, близько півтора міліметрів від поверхні, заповнений нейронами і гліальними клітинами, далі починається біла речовина, що складається з аксонів.


Зріз кори головного мозку. Сумарна товщина всіх шести рівнів становить приблизно півтора міліметра

Кора умовно ділиться на шість шарів. Верхній перший шар кори, в основному, містить горизонтальні аксонные зв'язку і схожий на білу речовину. В інших верствах аксонные зв'язку, в основному, поширюються вертикально. У результаті виходить, що вертикально розташовані один під одним нейрони виявляються зв'язані між собою значно сильніше, ніж з сусідніми нейронами, які знаходяться ліворуч і праворуч від них. Це призводить до того, що кора «розпадається» на окремі вертикальні колонки нейронів. Як виглядають окремий нейрон, колонка і група колонок, показано на малюнку нижче.


Окремий пірамідальний нейрон (ліворуч), кортикальна миниколонка (в середині), фрагмент кори, що складається з безлічі миниколонок (праворуч) (моделювання BBP/EPFL 2014)

Групу нейронів, розташованих вертикально один під одним, прийнято називати кортикальної миниколонкой. Вернон Маунткасл висунув гіпотезу (Ст. Маунткасл, Дж. Едельман, 1981), що для мозку кортикальна колонка – це основна структурна одиниця переробки інформації.

В одну мініколонку входить від 80 до 120 нейронів в залежності від зони кори, в первинній зоровій корі мініколонкі містять до 200 нейронів (малюнок нижче).


Мініколонкі первинної зорової кори кішки (ліворуч) і мавпи (праворуч) (Peters and Yilmaze, 1993)

Відстань між центрами миниколонок в мозку у людини або макаки варіюється від 20 до 80 мкм в залежності від зони. Поперечний діаметр миниколонок в середньому складає близько 50 мкм (Brain (1997), 120, 701-722, The columnar organization of the neocortex, Vernon B. Mountcastle). Як я вже говорив, для микроколонок характерно велика кількість вертикальних зв'язків. Відповідно, значна частина синаптичних контактів усередині миниколонок припадає на нейрони, що відносяться до цих же миниколонкам.

Щоб зрозуміти, на що здатні мініколонкі, для початку спробуємо оцінити ємність пам'яті однієї мініколонкі.

Обсяг пам'яті однієї мініколонкі


Нейрони мають розгалужені дендритні дерева, що складаються з безлічі гілочок. Ми припустили, що інформація може передаватися по корі у вигляді поширення пов'язаних між собою візерунків. Самі візерунки — це, імовірно, візерунки, утворені електричною активністю дендритних гілок. Один візерунок викликає навколо себе пов'язані з ним візерунки-продовження. Цей процес повторюється. В результаті по корі прокочується хвиля з унікальним внутрішнім візерунком. Кожен візерунок відповідає якому-небудь поняття.

Раніше була показана схема формування пам'яті, побудована на інтерференції двох хвильових візерунків. Перший візерунок визначає елементи, які повинні зберегти спогад. Другий візерунок задає ключ спогади.

Візерунок активності дендритних гілочок, що знаходяться всередині однієї мініколонкі, викликає сигнальний відповідь нейронів цієї мініколонкі. Цей відповідь виглядає як картина синхронних спайків. Цей сигнал нейронів є хеш-кодом для вихідного дендритної сигналу.

Хеш-перетворення від «довгого» дендритної візерунка ключа створює на нейронах короткий ключ спогади. Коли з'являється нейронный код, по аксонах входять в цей код нейронів починають поширюватися спайки.
Аксони нейронів однієї мініколонкі утворюють безліч синапсів межах своєї мініколонкі. З кожного синапсу, що належить активному нейрона, виділяється коктейль нейромедіаторів. Виходить складна картина об'ємного розподілу сигнальних речовин.

Так як нейромедіатори викидаються за межі синапсів, ця картина виявляється доступна для спостереження всім рецепторів, які знаходяться поблизу. Рецептори — це спеціальні молекули, що знаходяться на поверхні нейронів і гліальних клітин. Рецептори можуть реагувати на появу певного поєднання хімічних речовин і запускати різні процеси всередині нейрона. Крім того рецептори можуть змінювати свій стан і ставати чутливими або нечутливими до певних сигналів.

Кожен код активності нейронів мініколонкі створює унікальну об'ємну картину розподілу нейромедіаторів. Ми показали, що за рахунок змін у метаботропных рецепторах будь-який сегмент дендрита може запам'ятати і згодом дізнатися з високою точністю будь-яку картину об'ємного розподілу нейромедіаторів. Причому кількість картин, які може запам'ятати одна гілочка дендрита, визначається кількістю рецепторів і складає десятки і сотні тисяч.

Щоб сигнал нейронів міг бути запомнен дендритних гілкою, на ній повинно знайтися місце, обране по відношенню до цього сигналу. То є таке місце, де перетнеться істотна частина аксонів активних нейронів. Було показано, що для будь-якого сигналу на будь-дендритних гілці з високою ймовірністю знайдеться хоча б одне таке місце.

Одиночна кортикальна миниколонка задовольняє всім умовам, необхідним для того, щоб зберігати і відтворювати спогади. Діаметр мініколонкі відповідає елементарному об'ємі, необхідному для формування просторового сигналу. Нейрони мініколонкі можуть своєю активністю формувати бінарний ключ, довжини якого достатньо для однозначної ідентифікації будь-якої інформації. Аксонные і дендритні колатералі всередині мініколонкі утворюють структуру, відповідну для появи обраних місць.

Приблизну оцінку того, який обсяг пам'яті може зберігати одна миниколонка, можна зробити з наступних міркувань. Кількість інформації в одному описі приблизно визначається ємністю бінарного коду, що виникає активності дендритних секцій мініколонкі. Загальна кількість дендритних секцій Nds в миниколонке приблизно становить 100*30=3000 (мініколонку потрапляють як дендрити власних нейронів мініколонкі, так і дендрити нейронів сусідніх миниколонок). Якщо припустити, що складне опис кодує активність Nsig елементів, то кількість інформації в одному описі по Шеннону буде



При Nsig=150 це становить 854 біта або близько 100 байт. Для кодування одного опису, зроблених припущеннях, необхідно змінити стан 150 рецептивних кластерів. Таким чином, на один кластер доводиться інформації



Кількість інформації на кластер не сильно залежить від Nsig (таблиця нижче) і становить близько 6 біт.



Таким чином, інформаційна ємність мініколонкі може бути оцінена



Де Ncl – кількість рецептивних кластерів, що припадають на один синапс, Nsyn – кількість синапсів в одного нейрона (8000), Nneur – кількість нейронів у миниколонке (100).

Кількість рецепторів, що припадають на один синапс, передбачає, в основному, навколишні синапс внесинаптические рецептори. Потенційно, їх кількість може змінюватися з часом. Тобто, гіпотетично, накопичення спогадів може супроводжуватися збільшенням загальної кількості рецепторів.

Вимірювання щільності AMPA рецепторів у синапсі показало значення 1600 рецепторів на кв. мкм. Діаметр мономерного АТХ рецептора становить 9 нм, відстань між центрами рецепторів в димере – 9.5 нм. На поверхні шипика і прилеглої до нього поверхні дендрита, потенційно, можуть вільно розміститися сотні і тисячі рецепторів.

У нашому підході максимальне розумне кількість рецептивних кластерів поблизу синапсу обмежена числом можливих комбінацій активності навколишніх джерел нейромедіаторів. При 15 джерелах вибір 5 активних з них дає близько 3000 можливих сполучень.

Виходячи зі сказаного, візьмемо Ncl рівним 500, вважаючи, що така кількість рецепторів може накопичитися в процесі запам'ятовування за довгі роки життя. Тоді об'єм пам'яті мініколонкі складе 2.3x109 біт або приблизно 300 мегабайт. Або 3 мільйона семантичних спогадів інформативністю по 100 байт кожен.

Підхід, що спирається на пластичність синапсів як на основний елемент пам'яті, дає значно більш скромний результат. У миниколонке міститься близько 800 000 синапсів. Навіть припускаючи, що синапс за рахунок зміни рівня пластичності кодує декілька біт інформації, виходить величина, що обчислюється за все сотнями кілобайт. Збільшення ємності пам'яті на три порядки дає якісний стрибок в інформаційних можливостях мініколонкі. Так як інформація, що зберігається в миниколонке, має природу, близьку до семантичної, 300 мегабайт виявляються об'ємом цілком достатнім, щоб зберегти, наприклад, всі спогади людини, що накопичуються в процесі його життя.

Книга розміром 500 сторінок у стислому вигляді займає близько 500 кілобайт. Миниколонка дозволяє зберігати бібліотеку спогадів, що складається з 600 томів. Приблизно з того на місяць життя або 15 сторінок на день. Схоже, що цього цілком достатньо, щоб вмістити семантичний опис усього того, що з нами відбувається.

Знову ж таки, так як кожна зона кори має свою спеціалізацію, то і миниколонкам кожної зони не потрібно зберігати тотально всю пам'ять нашого мозку, їм достатньо мати пам'ять про свою тематики.

Триста мегабайт пам'яті мініколонкі не варто порівнювати з гігабайтними розмірами фотографічних бібліотек або фільмотек. Схоже, що коли зображення зберігаються у пам'яті, вони зберігаються не в фотографічному вигляді, а у формі коротких семантичних описів, які складаються з відповідних зображенню понять. У момент спогади зображення не відтворюється, а реконструюється заново, створюючи ілюзію фотографічності пам'яті. Це можна порівняти з тим, як портрет людини можна відновити досить близько до фотографії лише за його словесним описом.

Реальна пам'ять мініколонкі може бути в рази вище, якщо допустити, що рецептори гліальних клітин кори також є носіями інформаційного коду. Для контекстних обчислювальних модулів потрібно зберігати два основних види пам'яті: пам'ять минулих інтерпретацій і пам'ять правил трансформації. Можливо, що ці типи пам'яті поділені між нейронами і плазматичними астроцитами.

У перший момент думка про те, що всього 100 нейронів мініколонкі можуть зберігати спогади всього життя, здається абсурдною, особливо для тих, хто звик вважати, що пам'ять розподілена по всьому простору кори. Більш того, дублювання багатьма мільйонами миниколонок однієї і тієї ж інформації в традиційних інформаційних підходах здається безглуздим марнотратством ресурсів. Але ідеологія визначення сенсу в просторі контекстів дозволяє підвести під саме таку архітектуру кори серйозне обґрунтування.

Базові обчислювальні функції кортикальної мініколонкі


Основна ідея, що визначає роботу мініколонкі, досить проста (малюнок нижче). Розглянемо один такт роботи зони кори. Інформація, несуча поточне опис, поширюється по зоні кори, що складається з безлічі миниколонок. Кожна миниколонка бачить цю інформацію як проходять через неї візерунки певної активності, імовірно активності дендритних сегментів. Кожна миниколонка зберігає пам'ять перетворень і відповідає за свій власний контекст сприйняття інформації. Кожен контекст передбачає свої власні, відмінні від інших, правила перетворення вихідних описів в їх трактування. Пам'ять перетворень мініколонкі – це механізм перекладу візерунків вихідних понять, що складають опис, візерунки понять, відповідних трактуванні в контексті конкретної мініколонкі.


Схема базових обчислень мініколонкі кори

Поняття, складові один опис, надходять на мініколонку послідовно одне за іншим. Кожне з них є, по суті, бінарним кодом. Миниколонка замінює код вихідного поняття на запам'ятований нею код трактування цього поняття в контексті цієї мініколонкі.

Двійкові коди трактувань окремих понять накопичуються на дендритних сегментах. Нагадаю, що розряджені двійкові коди можна побітно логічно складати. В результаті складання виходить вектор, аналогічний фільтру Блума – єдиний бінарний вектор, що зберігає повноту опису.

Після того, як пройдуть всі хвилі окремих понять з опису, виникнуть і складуться їх трактування, на дендритних сегментах виникне бінарний код, відповідний трактуванні вихідної інформації в контексті мініколонкі.

Можна припустити, що існують механізми, що дозволяють перетвореної інформації та вихідного опису існувати спільно, не заважаючи один одному. Можливо, що за таку роздільну обробку відповідають різні шари кори.
Комбінація активності дендритних сегментів призводить до появи спайковой активності нейронів мініколонкі. Код, складений з активності нейронів, можна трактувати як хеш-функцію інформаційного опису, відповідного трактуванні вихідної інформації.

Раніше було показано, що комбінація активності нейронів може бути ключем, за яким з пам'яті може бути витягнутий попередній досвід, пов'язаний із саме таким або схожим на нього ключем. Пам'ять кожної мініколонкі зберігає всі раніше відбулися події. Попередній досвід, імовірно, зберігається у вигляді пар «хеш від інформаційного опису – ідентифікатор» і пару «хеш від ідентифікатора – інформаційний опис».

Ось тут і стає зрозумілою необхідність розподіленої дублюючої один одного пам'яті. Клонування однієї і тієї ж пам'яті на все мініколонкі необхідно для того, щоб кожна миниколонка могла виконати порівняння свого трактування з усім попереднім досвідом самостійно, не заважаючи іншим миниколонкам. Якби пам'ять була спільною і зберігалася десь в одному місці перевірка мільйона гіпотез могла б виконуватися тільки послідовно одна за одною. Даний розпаралелювання вимагає не тільки наявності паралельних обчислювальних потужностей, але і відповідного паралельного доступу до пам'яті. Аналогічна задача вирішується при обчисленнях на відеокартах. Коли кожен з процесорів вимагає швидкого доступу до пам'яті, не залишається нічого іншого, крім як забезпечити кожен з них власною пам'яттю.

Можна припустити, що результатом порівняння трактування опису поточного і пам'яті є обчислення функцій відповідності. Перша функція відповідності говорить про наявність точного збігу трактування і деяких елементів пам'яті. Друга функція оцінює загальну схожість трактування і досвіду, збереженого в пам'яті. Пізніше, коли буде описана процедура узагальнення, буде показаний ще один вид відповідності – відповідність трактування виділеним завдяки попередньому досвіду факторів.

Сигнали функцій відповідності, потенційно, можуть бути закодовані зміною мембранного потенціалу окремих нейронів або нейронних груп.

Функції відповідності дозволяють судити про те, наскільки контекст мініколонкі доречний для інтерпретації поточної інформації, тобто наскільки трактування, отримана у цьому контексті, відповідає раніше отриманого досвіду.
У підсумку, на кожній миниколонке виникає своя гіпотеза трактування опису поточного і оцінка того, наскільки це трактування осмислена. Зробивши певним чином порівняння між миниколонками, можна вибрати мініколонку, контекст якої найкращим чином підходить для трактування поточної інформації.

Трактування, отримана на «вдалою» миниколонке, будується на поняттях, єдиних для всієї зони кори. Трактування може бути паттерно-хвильовим способом поширена по зоні кори і запам'ятати усіма кортикальними миниколонками. Для цього на зону кори повинен бути поданий відповідний ідентифікатор спогади. Новий досвід буде збережений в кожній миниколонке. Причому буде збережена не власне трактування мініколонкі, а коректна трактування, отримана в іншому, «правильному», контексті. Саме з цією трактуванням і буде порівнюватися подальша інформація. І якщо згодом у якому-небудь контексті виникне трактування, зміст якої нам буде знайомий з іншого контексту, це не завадить нам дізнатися цей сенс в новому для цього сенсу контексті.

Впізнавання знайомого сенсу в іншому, новому для цього сенсу контексті, має дуже важливе значення. Мабуть, це ключовий момент, що дозволяє зрозуміти основну ідею описуваної архітектури мозку. Наприклад, для зображення його сенс — це той образ, що вдалося на нього дізнатися. Зоровими контекстами можуть бути різні варіанти зміщення. Тоді побачити в одному місці, а потім дізнатися в іншому — це і є знайти старий сенс у новому контексті.

Інший приклад. Коли людина спить у нього сповільнюється дихання і вам це відомо. Побачивши перший раз в житті, як на комп'ютері повільно спалахує і гасне індикаторний вогник, ви відразу розумієте, що ваш комп'ютер в режимі сну.

Велика частина інформації надходить до нас не у вигляді точного повторення чогось знайомого, а в формі, де ми потенційно можемо знайти аналогію з чимось відомим. Основний зміст тесту Тюрінга якраз в тому і полягає, щоб перевірити, наскільки далеко поширюється здатність комп'ютера у розумінні таких контекстних переносів сенсу.

Повернемося до миниколонкам. На елементах перемогла мініколонкі можна, в залежності від того, що вимагається, відтворити або доречну трактування поточної інформації, або найбільш підходяще під поточне опис спогад з минулого досвіду, або яку-небудь інформацію, що зберігається в миниколонке. Відтворена інформація може поширитися по зоні кори, а також може бути спроецирована на інші зони для подальшої обробки.

Якщо вихідна інформація допускає численні трактування, то всі вони можуть бути отримані послідовно один за одним. Для цього досить після визначення першої інтерпретації придушити активність відповідного контексту і повторити процедуру вибору контексту. Так одну за одною можна вичленувати всі можливі смислові трактування аналізованої інформації.

Швидше за все, вибір трактувань, які можуть бути змістом інформації, відбувається не послідовно за величиною відповідності, а ймовірнісним методом. Співвіднесення між собою функцій відповідності дозволяє визначити ймовірність кожної із трактувань. Подальший вибір може здійснюється випадковим чином, виходячи з отриманих ймовірностей. Такий підхід дозволяє в схожих ситуаціях не зациклюватися завжди на одних і тих же стереотипних інтерпретаціях, а час від часу отримувати нові, часом несподівані трактування.

Миниколонка кори в нашому підході виглядає як універсальний модуль, що виконує як автономні обчислення, так і взаємодію з оточуючими миниколонками. Але різні зони стикаються з різними інформаційними завданнями. В одних завданнях більше значення має кількість контекстів і менший об'єм внутрішньої пам'яті миниколонок, в інших, навпаки, при меншій кількості контекстів може виявитися важливіше збільшення внутрішньої пам'яті і як наслідок збільшення розрядності внутрішнього хеш-коду, тобто кількості нейронів у миниколонке. Оптимальна настройка універсальних обчислювальних модулів під завдання конкретної зони кори може йти двома шляхами. По-перше, для різних зон кори може варіюватися кількість нейронів у миниколонке, що особливо наочно на прикладі первинної зорової кори. По-друге, потенційно можливе об'єднання декількох вертикальних стовпців нейронів в один обчислювальний модуль. Розмах аксонных і дендритних дерев нейронів, що становить в діаметрі близько 150 мкм, дозволяє об'єднати декілька стовпців в одну обчислювальну систему без зміни описаних вище загальних принципів роботи.

Крім того, можна припустити, що повний примірник пам'яті не зобов'язаний укладатися в одну мініколонку, а може бути розподілений у просторі кількох сусідніх миниколонок. Так як діаметр дендритної дерева становить близько 300 мкм, то потенційно таке простір доступно кожній миниколонке для роботи з пам'яттю.

Поки наведена дуже приблизна модель, що дозволяє зрозуміти основні принципи роботи зі змістом. Щоб ця модель стала дійсно працездатною, не вистачає ще кількох ключових елементів. Я постараюся описати їх у наступних частинах.

Олексій Редозубов

P. S. Триває епопея з перекладом. Спільними зусиллями робиться переклад матеріалів на англійську мову (координатор — Дмитро Шабанов). Американські колеги з університету Дюка роблять фінальну редактуру. Але потрібно перевести до того рівня, коли їм стане зрозумілий сенс. Терміни здачі неймовірно підтискають. Якщо є можливість і бажання перевести кілька абзаців, то приєднуйтесь.

Логіка свідомості. Вступ
Логіка свідомості. Частина 1. Хвилі в клітинному автоматі
Логіка свідомості. Частина 2. Дендритні хвилі
Логіка свідомості. Частина 3. Голографічна пам'ять на клітинному автоматі
Логіка свідомості. Частина 4. Секрет пам'яті мозку
Логіка свідомості. Частина 5. Смисловий підхід до аналізу інформації
Логіка свідомості. Частина 6. Кора мозку як простір обчислення смислів
Джерело: Хабрахабр

0 коментарів

Тільки зареєстровані та авторизовані користувачі можуть залишати коментарі.