Принципы кодирования образной информации в мозге

О

Создание когнитивных технологий (КТ) предполагает внедрение в автоматическое устройство того или иного принципа, выявленного в деятельности мозга, не наблюдающегося в функционировании иных кибернетических устройств переработки информации. Концепция КТ - новый виток развития бионики [11]. В то же время когнитивная технология, в отличие от искусственного интеллекта, в своем контуре работы обязательно использует мозг человека. Он при этом не заменяется искусственным интеллектом, а соорганизуется с вычислениями компьютера.

О

Резюме. В статье рассмотрены принципы кодирования сигналов в мозге человека. С информационных позиций рассматриваются четыре уровня запоминания информации и участие в этих уровнях сенсомоторной системы мозга человека. Высказывается гипотеза о том, что в сенсомоторной системе человека существует механизм, устанавливающий приоритет функции и цели предмета над объективными параметрами предмета: его геометрией, весом, цветом, ориентацией в пространстве. Механизм запоминания функции предмета и цели действия с ним реализуется в векторном механизме оценки человеком меры сходства/несходства предметов по форме, сходства/несходства действий по траектории движений. В функционировании нейронов обнаруживается не один, а два механизма кодирования сигналов: цепочкой нейронов и вектором взаимного местоположения нейронов.

Ключевые слова: когнитивные технологии, нейронные сети.

Принципы работы мозга при создании когнитивных технологий вскрываются двояко. Существует направление (нейронауки), в котором исследования этого органа проводятся путем изучения деятельности нервной ткани мозга [1, 6, 7]. В этом случае акцент в изысканиях делается на запоминании информации. Поэтому механизм отсроченного повторного использования сохраненных данных (то есть декодирования) остается не раскрытым. Он считается очевидным, зеркальным механизму кодирования, так как предполагается по умолчанию, что это механизм запоминания в виде условного рефлекса, то есть цепочек обученных нейронов. Например, это нейронные сети

формирования условного рефлекса, запоминания языка и речи, обработки логической информации. Образцом таких когнитивных технологий являются так называемые гибридные системы управления роботом, в которых нейронная культура из мозга животного имплантируется в устройство так, что сформированный в ней условный рефлекс, обрабатывая сенсорную информацию, управляет моторикой аппарата.

Вместе с тем существует и второе направление в изучении принципов работы мозга, когда они изучаются с чисто кибернетических позиций кодирования и декодирования данных. При этом допускается, что носитель информации (мозг и его нейрон-

Фото Дениса МОРОЗА

Георгий Лосик,

ведущий научный

сотрудник

Объединенного

института проблем

информатики

НАН Беларуси,

доктор

психологических наук

ная природа) не определял принцип кода, а, наоборот, принцип кодирования детерминировал морфологическое строение мозга [4, 5, 9, 13]. Примером такой когнитивной технологии является компьютерная программа как модель хода человеческой мысли, который отражается в кодах циклов, операторов if, go Ш и т.д.

Особую сложность представляет создание КТ, в которых в автоматическую обработку компьютером внедряется принцип психологической обработки образной, графической информации. Мозг удивительно легко устанавливает сходство и различие вариативных по форме предметов [10]. Компьютерное же отображение трехмерных образцов полигонами, текстурами, цветом

не ставит целью кодировать метрику сходства и различия форм, а только обеспечивает их визуализацию на экране, математическую обработку изображений. Понятие сходства и различия предметов является антропологическим и для компьютерного моделирования представляет сложность. Антропологическая метрика не может быть передана математической обработкой полигонов двух сравниваемых форм, а может быть получена эмпирически из эксперимента с человеком, например методом попарного сравнения субъектом разных форм между собой. Это и есть принцип когнитивной технологии: перенос в технику данных об эмпирическом опыте работы мозга при совершении когнитивных операций с внешней средой [3].

Какие же коды используются мозгом при сравнении формы, образов разных объектов между собой? Ряд исследований показывает, что в этом процессе участвуют как объективные данные о параметрах предметов - расположении их контуров, формы в трехмерном пространстве, цвете, размере, углах и радиусах закруглений [2, 15, 16], так и информация об антропологической, видовой целесообразности для человека отличать один предмет от другого [8]. Кроме того, на психологическую оценку меры сходства влияют особенности субъекта, его этнокультурная традиция. Как же перенести в когнитивные технологии эти данные об антропологической целесообразности? Нельзя ли в КТ воссоздать в целом антропологическую шкалу когнитивной оценки человеком множества объектов?

Филогенез размерности психологического пространства

Чтобы ответить на указанные вопросы, рассмотрим, как прогрессировало в филогенезе мозга homo sapiens кодирование

внешних явлении, как менялась размерность отражения в нем протяженных в пространстве и времени явлении. Представим себе первобытного человека до появления у него техники рисунка и письма. Его психика преимущественно строила в мозгу модели внешнего мира, довольно точно представляя не только измерение по горизонтали и вертикали, но также и глубину пространства. Это значит, что трехмерное отражение превалировало над двумерным. Зрительные, тактильные и акустические анализаторы, оценивая удаленность предметов, работали с большоИ точностью. Цена ошибки в оценке различия удаленности разных стимулов была антропологически значимои.

Далее филогенез привел человека к возникновению в его обиходе рисунка, схемы, жеста. Следует признать, не касаясь ком-муникативнои и мнемоническои целесообразности появления рисунка, что вместе с этим эволюционным событием в перцепции данных двумерных явлении исчезает необходимость измерения глубины пространства. Информационная нагрузка на стерео-анализаторы уменьшается. Для кодирования в мозге элементов рисунка остаются важными параметры горизонтальнои и вер-тикальнои метрики трехмерного пространства.

Потом в филогенезе человека как вида возникает письмо. Расположение элементов текста обычно линейное. Способность измерять глубину пространства и его высоту сохраняется, но с меньшеи точностью. Самым антропологически важным становится одномерное измерение. Остается высокой лишь цена ошибки спутывания порядка слов, букв, сурдологических жестов, интонационных вершин в устной фразе.

Какая польза появилась для людей от такого упрощения

точности отражения и кодирования в мозге размерностей окружающего материального мира? Поступление в психику человека информации извне, согласно теории Ч. Дарвина, совершается для ее распознавания, осмысления в целях сохранения телесной субстанции субъекта как продолжателя существования вида. Иная гипотеза не рассматривается. Например, обратная - о том, что психика популяции людей, не особи, обеспечивает пропускание из прошлого в будущее данных о законах существования материи. Мозг, как телесная субстанция субъекта, выступает лишь носителем данных и материальной платформой, на которой реализуются алгоритмы мышления, то есть правила обработки данных. А сами данные, их метрика кодирования, работа алгоритмов обработки подчиняются еще одному отбору и не содержат отпечатка нейронного строения мозга как носителя информации.

В рамках второй гипотезы польза от уменьшения размерности кодирования внешних явлений выражается в следующем. Мышление человека в филогенезе стремилось находить все более общие, более протяженные в пространстве и времени закономерности существования материи и энергии. Поэтому в мыслительной сортировке внешних данных шло отмирание анализа незакономерно ведущей себя субстанции. Выживал процесс анализа, распространяющийся на материю, которая ведет себя предсказуемо. Ею постепенно становились орудия и продукты труда, жилище, предметы быта, коммуникации. Обиход человека понижал энтропию материи вокруг него, а информационный отбор размерности хода мыслительного анализа понижал информационную энтропию. Еще одной материей, которая вела себя предсказуемо, становится тело самого живого существа.

Благодаря геному по наследству передается постоянство формы и цвета особей одного вида. Следовательно, тела окружающих человека таких же людей выступают для его перцепции легко предсказуемыми по вариативности. Благодаря такому информационному отбору из прошлого в будущее в популяции переходили не любые сведения о материи, не только те знания особи, которые помогали ей выжить, но и те, которые просто гарантировали предсказуемость поведения материи. Поэтому непредсказуемость поведения материи как носителя информации, непредсказуемость влияния ее на саму информацию, осевшую на носитель, породили в отборе именно такой специфический принцип кодирования, который отличается максимальной материенезависимостью. В природе наряду с дарвиновской шла еще одна эволюция: отбор кодирований, которые позволяли сохранять знания все более мате-риенезависимым кодом.

Как следствие, появилось кодирование закономерностей, независимое от глубины пространства, а затем и кодирование, независимое от времени. Знания о законах материи, не привязанных к пространству и ко времени их реализации, дают потомку возможность использовать этот закон в необозримом будущем, в необозримой точке Вселенной. Например, в новой концепции Big Data при передаче законов из прошлого в будущее исчезает даже информация о том, кто установил закон, доказал теорему и в какие годы это произошло. Условно происходит переход к 0-мерному формату кодирования чистым алгоритмом, то есть с помощью когнитивной технологии. Рассмотрим далее принципы кодирования информации в мозге с позиции противопоставления алгоритмического и аналогового принципов кодирования сигналов в кибернетике [14].

Уровень аналогового кодирования в мозге образной информации

Начальным уровнем отображения внешней информации в мозге можно считать аналоговую обработку «сырых» поступающих через анализаторы стимулов. В качестве модели этого процесса предложен векторный принцип кодирования сигналов [8, 17]. Он гласит, что в зависимости от физических различий сигналов происходит обучение отдельных локальных групп нейронов отвечать не одинаково на разные сигналы в разных конкретных местах мозга. Воспринимаемые стимулы в зависимости от различий своих физических свойств обучают разные нейроны-детекторы отвечать на стимул одинаково и однообразно в строго постоянных, но разных местах мозга. При векторном кодировании запечатление в мозге формы и топологии внешнего явления осуществляется пространственным, а не линейным во времени способом, не причинно-следственно. То есть форма предмета запечатляется в пространстве мозга как топологическое не-расчлененное целое в топологии взаиморасположения набора нейронов.

Принцип векторного кодирования наиболее изучен для сенсорной коры мозга человека. Он подтвержден в отношении кодирования цвета, эмоций, формы предметов, пространства, акустических сигналов гласных звуков [2, 14, 15, 16]. Экспериментально установлено, что у каждого нейронного экрана детекторов имеется экран предетекторов, за счет которых возникает сферичность, то есть нечувствительность к амплитуде стимула. Детекторы низших уровней, выделяя мелкие признаки, возбуждаясь, по своим аксонам выдают сигналы на следующие экраны детекторов, но специализирующиеся уже на выделении более крупных

признаков или целых явлений, например лица человека, геометрических форм, типов эмоций, гласных фонем.

Аналоговое кодирование образной информации по такому же принципу реализуется и в мотор-но-двигательных отделах мозга. Похожим образом формируется структура моторной коры мозга в виде экранов командных нейронов. Показано, что на вершине «пирамиды жестов» находятся нейроны, командующие операциями (например, дать ложку), ниже их - управляющие действиями (взять, перенести, положить), а еще ниже - движениями (сжать пальцы, согнуть сустав). Благодаря векторному кодированию обеспечивается аналоговая, мгновенная оценка близости однотипных двигательных жестов. И при нештатных сбоях хода реализации программы крупного движения легко вычисляются нужные замены в векторных пространствах мелких жестов.

Уровень предметного кодирования

Далее в обработке сигналов в мозге следует более крупный уровень анализа стимульной информации, на котором принцип векторного кодирования уже не используется, а нейроны при обработке работают как дискретные элементы. На предыдущем уровне в сенсорной и моторной коре формируются пирамиды слоев нейронов для обработки од-номодальных стимулов. На вершинах пирамид она завершается распознаванием и кодированием целых предметов и двигательных операций с ними (рис. 1). При анализе явлений мозг на данном этапе переходит от пространственно-топологических операций к операциям причинно-следственного логического анализа.

Здесь может быть упомянут принцип формирования условного рефлекса [15]. Уровень выше вершин пирамид можно

Рис. 1. Трехслойная пирамида локальных анализаторов для обработки одномодальных стимулов. На вершине пирамиды возникают цепочки нейронов для логического анализа

считать уровнем образования условно-рефлекторных связей, предметно-действенного мышления. Здесь нейроны объединяются друг за другом, образуя последовательные цепочки. Они замыкаются в кольца, так что эта структура может поддерживать свое активное состояние некоторое время после активации нейронов вершин пирамид, влияющих на своих представителей - нейронов кольца. Цепочки и древовидные цепи нейронов образуют большую сеть, в которой они отражают

причинно-следственные отношения между физическими явлениями, отложившимися как образы и операции в вершинах пирамид. Как показывают экспериментальные исследования, в мозге еще до появления нейронной «словесной» сети абстрактных понятий первоначально формируется нейронная сеть предметно-действенного мышления, способная вести обработку стимульной информации без вербализации.

Уровень кодирования обобщенных понятий с участием слова

Далее в мозге следует еще более сложный уровень обработки входной информации - обобщенных понятий с участием слова. В литературе он известен как вербальный уровень. Здесь принцип векторного кодирования также уже не используется, а продолжает реализовываться принцип описанных нейронных цепочек. Если на предыдущем уровне нейрон в цепочке репрезентирует конкретный объект действительности или реально возможное действие с ним, то тут благодаря обобщающей функции слова - обобщенные понятия. В их качестве могут выступать не только сами объекты и действия, но и понятия-категории, формирующиеся в языке, такие как, например, прилагательное, числительное, местоимение, наречие. На этом уровне происходит фиксация итогов анализа, синтеза, обобщения, классификации информации на основе словесных операций [12]. Следует еще раз подчеркнуть, что кодирование цепочками нейронов уже не в состоянии хранить информацию о степени сходства/различия качества тех физических сигналов, репрезентацию которых несет отдельный нейрон. Возбуждение/ торможение в цепочке отражает дискретно то ли факт, что с вероятностью 100% внешнее физическое явление состоялось, то ли, с той же вероятностью 100%, что его не было.

Гипотеза о существовании «зеркальных» уровней аналогового кодирования в мозге абстрактных понятий

Рассмотрим гипотезу о дальнейшей обработке информации и возможном зеркальном повторении принципа векторного кодирования. Согласно ней, последний после дискретного уровня опять возобновляется, создавая еще более высокие, зеркальные по отношению к сенсорным, уровни векторной переработки информации (рис. 2) [11].

Рассмотрим эту гипотезу подробнее. Безусловно, отображение в мозге внешних событий именно в дискретной форме резко повышает на последующих уровнях кодирования помехозащищенность кода. Повторное воспроизведение прошлой мысли, цепи рассуждений спустя время защищены от искажения кода, представшего алгоритмом, так как состояние нейронов в активирующейся их цепочке автоматически «подтягивается» или до полного возбуждения нейрона, или заторможенности. На функционирование алгоритма цепочки меньше влияет метаболизм питательных веществ нервных клеток.

Заметим, что передача сигналов из аналоговой сенсорной системы на дискретные уровни не является строго однонаправленным процессом. С такой же легкостью активация цепочек в дискретной коре приводит в обратном порядке к активации в мозге соответствующих «аналоговых» детекторов и командных нейронов в момент, когда внешняя стимуляция на них отсутствует.

Возможность обратной стимуляции внутри мозга, которую дискретные нейроны могут совершать в адрес векторных нейронов, в прошлом «породивших» их самих, как раз и дает основание для высказанной гипотезы. Аналоговое кодирование, хотя и сме-

няется в обработке дискретным, затем на «абстрактных» уровнях опять возобновляется. Согласно гипотезе, сугубо у человека уже не в филогенезе, а в онтогенезе при обучении корковых нейронов в мозге происходит формирование еще двух новых, «высоких» уровней обработки информации. Симметрично сенсорной системе, кодирующей вектором пространственный физический мир, выше соответствующего ей нейронного уровня дискретных понятий формируется нейронный уровень векторного кодирования понятий в виде сферических моделей (рис. 3).

Мозг, сформировав понятия сначала в виде дискретных категорий и признаков «да/нет», далее разбивает множество понятий на подмножества, которые могут быть закодированы векторно, то есть азимутным углом как точки на поверхности нормированной гиперсферы, создавая аналогичные локальные анализаторы. Для этого в «абстрактной» коре, подобно как и в сенсорной коре, формируются предетекто-ры и экраны детекторов близких по смыслу понятий, своеобразные их локальные анализаторы.

В этом случае стимулами для обучения синапсов таких детекторов выступают сигналы уже не извне индивида, а от нижележащих цепочек нейронов. Благодаря такому уровню мозговой обработки в онтогенезе откладывается механизм быстрой оценки степени антропологического сходства и различия понятий, возникших на базе сенсорного и теперь уже и социального опыта индивида [4]. На этом завершающем этапе обработки в мозге формируется не только уровень, симметричный сенсорной коре, но и такой же, симметричный моторной коре: для векторного кодирования не только абстрактных понятий, но и абстрактных действий. Соответственно, этот уровень возникает только в он-

тогенезе, лишь после формирования уровня цепочек нейронов типичных жестов и операций. Используя векторное кодирование в абстрактных действиях, субъект дополнительно к механизму дискретного планирования цели действия применяет еще и аналоговый механизм, позволяющий чувствовать степень «близости» абстрактных действий и цену ошибочной замены одного другим, знать направление коррекции неверного действия в сторону нужного.

Подытожим. Кодирование и обработка сигналов в мозге ведутся на следующих уровнях:

аналогового кодирования образной информации;

невербального предметного кодирования;

дискретного кодирования обобщенных понятий с участием слова;

аналогового кодирования абстрактных понятий.

Аналоговое кодирование может быть представлено топологическим расположением точек-стимулов на поверхности гиперсферы. Корреляты психических качеств стимулов - расстояния (хорды) между точками на поверхности сферы. А азимут-

Классы

Роды-

Виды

>s -а

ч> (в

clO ш & AÛ >

Абстрактные понятия

Цепочки нейронов-предметов

Слова-названия

Целые предметы

Крупные

Мелкие признаки

>s -а

S«« Св

IО

s а.

х >

Рис. 3. Идея векторного кодирования применима к кодированию и созданию копии в мозге не только конкретных, материальных объектов внешней действительности, но и абстрактных психических понятий и явлений, кодированию абстрактных действий, движений человека

ный угол - коррелят физиологического их местонахождения в мозге. Аналоговое кодирование образной информации позволяет делать мгновенную оценку меры сходства/несходства однотипных объектов, двигательных жестов, то есть ту, которую кодирование алгоритмом теоретически не может обеспечить. СИ

See: http://innosfera.by/2015/12/principles_of_coding

Литература

1. Когнитом: гиперсетевая модель мозга / К.В. Анохин // Материалы конференции «Нейроинформатика».- М., 2015.

2. Проблема размерности в интеграции локальных анализаторов: сенсорика и моторика / А.В. Вартанов, Г.В.Лосик // Материалы VI междисциплинарной конференции «Современная психология в контексте трансдисциплинарных исследований». Выпуск 6.- Мн., 2015.

3. Конвергенция сознания и технологический прогресс / Б.М. Величковский // В мире науки. 2013, №4.

4. Топологический и метрический принципы обработки пространственной информации: перцептивные и возрастные закономерности / О.А. Гончаров, Н.Е. Емельянова, Ю.Н. Тяповкин // Психологический журнал. 2011. Т. 32, №1.

5. Проблема расшифровки мозговых кодов явлений субъективной реальности / Д.И.Дубровский // 1-я Всероссийская научная школа «В будущее наук о мозге и интеллекте».- М., 2009.

6. Главная загадка природы: как на основе работы мозга возникают субъективные переживания / А.М. Иваницкий // Психологический журнал. 1999. Т. 20, №3.

7. Технология определения типа совершаемой в уме мысленной операции по рисунку электроэнцефалограммы / Г.А. Иваницкий, Р.А. Наумов, А.М. Иваницкий // Технологии живых систем. 2007. Т. 4, №5-6.

8. Сферическая модель различения эмоциональных выражений схематического лица / Ч.А. Измайлов, С.Г. Коршунова, Е.Н. Соколов // Журн. высш. нерв. деят. 1999. Т. 49, №2.

9. Нейронный код / А.Н. Лебедев // Психология. 2004. Т. 1, №3.

10. Лосик Г.В. Перцептивные действия человека. Кибернетический аспект: монография.- Мн., ОИПИ, 2008.

11. Лосик Г.В. Кодирование информации в мозге: монография.- Lap Lambert Academic Publishing, 2015.

12. Особенности кодирования и обработки текстовой и аналоговой информации в мозге человека / Г.В. Лосик // Материалы междунар. конф. «РИНТИ-2012».—Мн., 2012.

13. Развитие векторного принципа кодирования образной информации в мозге / Г.В. Лосик // Новости медико-биологических наук. 2014. Т. 10, №3.

14. Векторный принцип кодирования в мозге образной информации / Г.В. Лосик // Материалы 3-й всероссийской конференции «Нелинейная динамика в когнитивных исследованиях».- Нижний Новгород, 2015.

15. Соколов Е.Н. Восприятие и условный рефлекс.- М., 2003.

16. Многомерное шкалирование знаковых конфигураций / Е.Н. Соколов, Ч.А. Измайлов, В.Л. Завгородняя // Вопросы психологии. 1985, №1.

17. Принцип векторного кодирования в психофизиологии / Соколов Е.Н. // Вестник МГУ, Серия 14. Психология. 1995, №4.