ИСКУССТВЕННЫЙ ИНТЕЛЛЕКТ: ЭЛЕМЕНТЫ И СТРУКТУРЫ

Е.Н. Соколов

Под интеллектом следует понимать внутреннее преобразование отображения ситуации, которое ведет к достижению поставленной цели. Искусственный интеллект—это реализация такого преобразования искусственной системой.

В настоящее время сложились два подхода к решению проблемы искусственного интеллекта [1]. Большинство специалистов считают, что при создании искусственного интеллекта нет оснований следовать за нейронной организацией, лежащей в основе интеллектуальных функ­ций. Для этого достаточно создавать программы работы компьюте­ра, совпадающие с интеллектуальными функциями лишь по конечному результату. Меньшинство исследователей считают, что наиболее перс­пективным путем построения искусственного интеллекта является ими­тация нейронных структур, реализующих интеллектуальные функции.

В настоящей работе рассматривается синтетический подход к искусст­венному интеллекту, основанный на данных психофизиологии [2]. Пред­лагаемый путь вытекает из общей стратегии психофизиологического исследования.

Психофизиологическое исследование начинается с изучения общих закономерностей перекодирования внешних сигналов в систему вер­бальных реакций человека [3]. Однако на этом психофизиологическое исследование не останавливается, а идет дальше к выяснению вклада отдельных нейронов в это преобразование. Объединение данных, полу­ченных на макро- и микроуровнях, достигается построением модели исследуемой функции. Модель строится из нейроноподобных элементов (формальных нейронов), обладающих основными информацион­ными характеристиками реальных нейронов. При этом вся модель как целое воспроизводит закономерности преобразования сигналов на макроуровне. Вместе с тем каждый нейроноподобный элемент модели воспроизводит характеристику одного из реальных нейронов исследу­емой системы [4]. Модель как совокупность систем определенным об­разом связанных между собой нейроноподобных элементов образует структуру, реализующую функцию искусственного интеллекта. Прос­тейшей интеллектуальной функцией является операция классификации сигналов.

о Психофизиологическое исследование классификации цветовых сиг­налов, знаковых конфигураций и стереоскопических изображений поз­волило предложить обобщенную структуру из формальных нейронов, реализующую функцию классификации.

При предъявлении двух сигналов человек не только может обнару­жить различие между ними, но и оценить его в баллах. Матрица балль­ных оценок субъективных различий отвечает аксиомам метрики, что позволяет представить все множество сигналов в пространстве, которое принято называть перцептивным пространством. Геометрические рас­стояния между точками, представляющими воспринимаемые сигналы в перцептивном пространстве, в высшей степени коррелируют с исход­ными субъективными различиями между сигналами. При этом точки, представляющие сигналы, размещаются в перцептивном пространстве неравномерно, образуя гиперсферу. Если оси перцептивного прост­ранства ориентировать так, чтобы сигналы, сохраняющие свои перцеп­тивные характеристики в процессе адаптации, лежали на базисных осях, то координаты сигналов в перцептивном пространстве получают нейро­физиологическую интерпретацию как возбуждение независимых ней­ронных каналов.

Используя процедуру балльных оценок в отношении различий между терминами, обозначающими сигналы, можно построить семантическое пространство [5,6], в котором термины, обозначающие сигналы, предс­тавлены точками так, что геометрические расстояния между ними про­порциональны субъективным различиям между значениями терминов. Семантическое пространство, представляя собой гиперсферу, изомор­фно перцептивному пространству. Если при ориентации его осей использовать термины, обозначающие реперные сигналы перцептивного пространства, то отображение сигналов в перцептивном пространстве удается согласовать с обозначающими их терминами семантического пространства. Отдельным точкам — терминам — соответствуют определенные области.

На нейронном уровне базис перцептивного пространства представ­лен реальными нейронами, образующими независимые каналы. Внеш­ний сигнал кодируется вектором возбуждения, компонентами которого являются возбуждения независимых нейронных каналов. Эти нейронные каналы связаны с рецепторами так, что при всех изменениях сигнала векторы возбуждения равны по модулю. Нейроны, образующие базис, предшествуют слою нейронов-детекторов и поэтому называются пре-детекторами.

Вектор возбуждения, образованный реакциями предетекторов, пос­тупает по множеству параллельных каналов на нейроны-детекторы. Синаптические контакты каждого нейрона-детектора образуют вектор синаптических связей. Все нейроны-детекторы обладают равными по модулю векторами связей. Каждый нейрон-детектор, суммируя попарные произведения возбуждений на коэффициенты синаптических связей, реализует операцию скалярного произведения. Тот нейрон-детектор, вектор связей которого коллинеарен поступившему вектору возбужде­ний, ответит на действие внешнего сигнала максимальной реакцией. Нейроны-детекторы, характеризующиеся'равными по модулю векто­рами связей, образуют гиперсферу в пространстве, размерность ко­торого равна числу независимых каналов, сходящихся на каждом из нейронов-дете кторов.

Место максимального возбужденного нейрона на гиперсфере, об­разованной множеством детекторов, является кодовым обозначением сигнала. При изменении входного сигнала меняется композиция ком­понентов вектора возбуждения на уровне предекторов, и максимум воз­буждения, перемещаясь по гиперсфере, отображает изменение сигнала. Если отображение сигнала достигается с помощью нейронов-детекторов, то операция классификации сигналов реализуется при учас­тии следующего слоя нервных элементов — командных нейронов.

Командный нейрон запуская специфическую реакцию, реализует оп­ределенную категорию ответа. На каждый командный нейрон посту­пают сигналы от всех нейронов-детекторов. При этом связи между нейронами-детекторами и командными нейронами являются пластич­ными. Те связи, которые были задействованы непосредственно перед разрядом командного нейрона, усиливаются. Те связи, активация кото­рых не сопровождается разрядом нейрона, ослабевают. Таким образом, в ходе обучения на каждом командном нейроне формируется матрица разных по своей эффективности синаптических контактов, реакция командного нейрона определяется скалярным произведением вектора возбуждения, компонентами которого являются реакции нейронов-де­текторов, и его вектора связей. В результате командный нейрон отвечает избирательно только на те сигналы, которые возбуждают нейро­ны-детекторы, эффективно связанные с данным командным ней­роном. Совокупность командных нейронов, избирательно связанных с определенными участками перцептивного пространства, об­разует семантическое пространство. Операция классифика­ции сигналов основана на установлении соответствия определенных областей перцептивного пространства определенным точкам семанти­ческого пространства. Классификация сигналов, являясь функцией искусственного интеллекта, может быть реализована путем параллель­ной обработки информации в сетях, построенных из нейроноподобных элементов, кодирующих сигналы номером канала по принципу мече­ной линии.

Примером классификации сигналов как функции искусственного интеллекта может служить операция категоризации цветных объектов [7—8]. Рассмотрим структурную организацию классификатора цветов. На входе системы стоят аналоги трех типов колбочек, соответствен­но чувствительных к коротковолновым, средневолновым и длинновол­новым излучениям видимой части спектра. Реакция на выходе колбочки пропорциональна логарифму интенсивности света. Линейные комби­нации возбуждений колбочек образуют три типа фотопических гори­зонтальных клеток (L, Ra и BY), реакции которых при действии опреде­ленного излучения на колбочки составляют компоненты вектора воз­буждения, кодирующего цвет стимула в ортогональной системе коорди­нат.

Модуль вектора возбуждения на уровне горизонтальных клеток характеризует яркость стимула. Направление этого вектора возбуж­дения определяет цвет стимула. Равноярким цветам соответствуют равные по модулю вектора возбуждения. Это означает, что все множество равноярких цветов размещается на поверхности сферы в трехмерном пространстве. На следующем уровне цвета разной яркости кодируются на гиперсфере в черырехмерном пространстве. На уровне биполярных клеток формируется четырехкомпонентный вектор постоянной длины пу­тем вычитания сигналов горизонтальных клеток из спонтанно активного в темноте нейрона D. Кроме того, клетки Ravi BY трансформируются соответственно в R*a*, R~a~, B*Y~ и BY*. Это обеспечивает передачу тормозной фазы реакции оппонентных клеток Ra и BY по возбужде­ниям отдельных каналов. В случае, если данный участок сетчатки при освещении окружен индуцирующим полем большей яркости, сигнал яркости от нейрона Wh индуцирующего поля приводит к возбуждению нейрона В1. Таким образом локальный участок сетчатки представлен семью каналами, из которых каждый раз только четыре возбуждаются в зависимости от действующего излучения. Этот четырехкомпонентный вектор возбуждения постоянной длины действует параллельно на набор детекторов, каждый из которых имеет четыре синаптических контакта, образующих вектор синаптических связей.

Каждый детектор обладает своим уникальным набором синаптичес-ких контактов и характеризуется специфическим для него вектором Связей. Векторы связей нейронов-детекторов равны по модулю. Ней-рон^ётектор цвета суммирует попарные произведения поступающих возбуждений на веса синаптических связей. Формально реакция та­кого нейрона-детектора равна скалярному произведению вектора возбуждений и вектора синаптических связей. Поскольку Все векторы возбуждения предетекторов и все векторы связей детекторов по моду­лю равны между собой, их скалярные произведения зависят только от косинуса угла между ними. Тот цветовой детектор, вектор связей которого окажется коллинеарным вектору возбуждения, вызванному в предетекторах действующим излучением, ответит максимальной реакцией. Этот максимально возбужденный детектор и является ко­довым обозначением цвета.

При изменении действующего на глаз излучения меняется вектор возбуждения и максимум реакции перемещается с одного На другой. Поскольку все детекторы характеризуются равными по длине четы-рехкомпонентными векторами связей, они лежат на поверхности гиперсферы в четырехмерном евклидовом пространстве. Перемещение максимума возбуждения с одного детектора на другой при изменении излучения эквивалентно движению точки по поверхности гиперсферы в четырехмерном пространстве. Субъективные различия между цветами измеряются как евклидовы расстояния между детекторами, представ­ляющими цвета, на гиперсфере. Поэтому если мы знаем матрицу субъективных различий между цветами, то по ней можно найти коорди­наты точек, представляющих эти цвета. Вместе с тем если известны реакции предетекторов, то по ним можно найти эквиваленты субъек­тивных различий, вычисляя евклидовы расстояния между концами век­торов возбуждения, кодирующих сравниваемые стимулы.

Отнесение цвета к определенной категории, завершающееся на­зыванием цвета, определяется связями детекторов цвета с команд­ными нейронами речевых реакций называния цвета. Связи детекторов цвета с командными нейронами называния цвета определяются обуче­нием. Потенциально каждый командный нейрон речевой реакции может быть связан со всеми детекторами цвета. Под влиянием обучения командные нейроны речевых реакций, участвующие в назывании цвета, образуют эффективные связи только с определенными детекторами. Множество детекторов, подключенных к данному командному нейрону речевой реакции, образует ее рецептивное поле. Возбуждения нейро­нов-детекторов цвета образуют вектор возбуждения, который пяпягт­лельно поступает на целый набор командных нейронов цветовых назва­ний. Синаптические связи нейронов-детекторов на данном командном нейроне образуют его вектор синаптических связей. Реакция команд­ного нейрона определяется скалярным произведением вектора возбуж­дения и вектора синаптических связей.

Отнесение цвета к определенной категории и генерация названия цвета зависит от того, в каком командном нейроне будет наибольшее возбуж­дение. Совокупность командных нейронов речевых реакций цветовых названий образует семантическое цветовое пространство, которое изоморфно перцептивному цветовому пространству. Отдельные цвето­вые термины "вырезают" в перцептивном цветовом пространстве области, представленные цветовыми детекторами, связанными с ко­мандными  нейронами, генерирующими эти термины [8].

Различия между перцептивным и семантическим цветовым простран­ством демонстрируют клинические наблюдения над нарушениями цве­тового зрения при локальных поражениях затылочной области мозга. Было установлено существование трех типов нарушений:

выпадение восприятия отдельных цветов при сохранности четырех­мерной структуры цветового перцептивного пространства и функции цветоназывания, что объясняется нарушением селективных детек­торов цвета;

выпадение отдельных групп цветов иногда с редукцией размерности цветового перцептивного пространства при сохраненной функции цветоназывания;

нарушение функции цветоназывания при полностью сохранном цве­товом перцептивном пространстве, измеренном не по речевым, а по двигательным реакциям, что связано с нарушением связей между де­текторами и командными нейронами речевых реакций.

Рассмотренная схема классификации цветовых сигналов не со­держит детального описания механизмов управления движением ар­тикулирующих органов. Вместе с тем важнейшей функцией искус­ственного интеллекта является целенаправленное движение. Анализ нейронных механизмов управления саккадическими движениями глаз [3] позволяет представить общую схему целенаправленных движений. Саккадические движения глаз подразделяются на непроизвольные в виде переноса взора на новый неожиданный раздражитель, появив­шийся в поле зрения, и произвольные саккады в виде переноса взора с одного объекта на другой при осмотре зрительной сцены. Непроизвольные и произвольные саккады контролируются независи­мыми параллельными каналами. Непроизвольные саккады реализуются^ ^г^етинотектальным механизмом. Произвольные саккады — ретино-кортикальными структурами. ~~

Рассмотрим канал управления непроизвольными саккадами. Сет­чатка проецируется на поверхность переднего двухолмия по прин­ципу ретинотопической проекции. Нейроны верхних слоев перед­него двухолмия, обладая локальными рецептивными полями, яв­ляются детекторами элементарных событий. Каждая область сет­чатки представлена в переднем двухолмии колонкой нейронов с рецептивными полями, размер которых увеличивается с глубиной.

К мономодальным нейронам в глубоких слоях переднего двухолмия присоединяются полимодальные нейроны, отвечающие на тактильные и звуковые раздражения. Наконец, в глубине колонки появляются нейроны, разряжающиеся только непосредственно перед началом саккады, но не любой, а только такой, которая перемещает центр сетчатки на объект, попавший на участок сетчатки, представленный данной колонкой нейронов.

Нейрон, специфически связанный с саккадой фиксированной длины и направления, является командным нейроном. Это доказывается тем, что электрическое раздражение, подаваемое через микроэлек­трод, который использовался при регистрации активности командного нейрона, приводит к возникновению именно такой саккады, которая предварялась разрядом этого нейрона. При длительной электрической стимуляции командного нейрона возникает лестница саккады — по­следовательность саккадических скачков постоянной амплитуды и направления, разделенных участками удержания глаз в каждом до­стигнутом положении. Лестница саккад продолжается до тех пор, пока глаза не дойдут до крайнего положения в орбитах, после чего следует центрирующая саккада и глаза возвращаются в централь­ное положение. При раздражении разных точек глубоких слоев переднего двухолмия возникают саккады разной амплитуды и направ­ления. Во всех случаях амплитуда и направление саккады опре­деляются расположением рецептивного поля той колонки нейронов, к которой он принадлежит относительно центра сетчатки. Можно сказать, что если поверхностные слои переднего двухолмия образуют карту сетчатки, то глубокие его слои образуют карту моторных команд, обеспечивающих перенос центра сетчатки на объект, появив­шийся в рецептивном поле данной колонки нейронов.

Каким образом разряд специализированного командного ней­рона превращается в саккаду фиксированной амплитуды и направления? Для объяснения этого эффекта следует учесть следующий слой командных нейронов. Особенностью вторичных командных нейронов является то, что в них разряд одиночного первичного командного нейрона превращается в разряд двух фазических нейронов. Воз­буждение одного нейрона пропорционально горизонтальной состав­ляющей саккады, а возбуждение другого — ее вертикальной составля­ющей. Таким образом, возбуждение первичного командного ней­рона из скалярной величины превращается в вектор возбуждения, определяющий амплитуду и направление последующей саккады. Эта трансформация возбуждения командного нейрона в вектор возбуж­дения зависит от коэффициентов синаптических связей первичного командного нейрона с вторичными командными нейронами горизон­тальной и вертикальной составляющих саккады, которые локали­зованы в ретикулярной формации моста.

Управление движением каждого глаза реализуется шестью мыш­цами. Сигналы горизонтального и вертикального нейрона посту­пают на мотонейроны. Управляющие этими мышцами мотонейроны, обладая разными порогами, вовлекаются в зависимости от ампли-tvtm  поступающего  на  них  сигнала.   Число  вовлеченных мото­нейронов тем больше, чем больше амплитуда саккады. При дости­жении цели глаза удерживаются в достигнутом положении. Фик­сация глаз в достигнутой точке определяется двумя механизмами. Первый реализуется специальным нейроном—генератором пауз, кото­рый блокирует фазические нейроны горизонтальной и вертикальной составляющих саккады. Тем самым к мотонейронам глазных мышц перестают поступать команды на смену положения глаз. Удержа­ние глаз в достигнутом положении реализуется вторым механиз­мом — тоническими нейронами горизонтальной и вертикальной составляющих, которые управляются тоническими командными ней­ронами, получающими возбуждение от детекторов положения взора. В течение всего времени фиксации нейроны—генераторы пауз не­прерывно разряжаются, препятствуя приходу к мотонейронам сигналов по фазическому каналу управления движением глаз. Роль нейронов, генерирующих паузы и локализованных вблизи ядра отводящего нерва, состоит в остановке движения глаз. Это демонстрируется электрическим раздражением этих нейронов через подведенный к ним микроэлектрод. Разряд, вызванный в молчащем во время испол­нения саккады нейроне, "замораживает" глаза в точке, достигну­той к моменту раздражения.

Саккадическое движение глаз, вызванное световым раздражителем, характеризуется привыканием, развивающимся по мере повторения применения сигнала. Процесс привыкания нельзя отнести к команд­ному нейрону, поскольку прямое электрическое раздражение вызывает неугасающие саккады. Анализ электрической активности мозга по­казывает, что угасание саккадического движения на световой стимул связано с угасанием генерализованной активности, вызванной возбуж­дением ретикулярной системы ствола мозга.

Особенностью привыкания саккадических движений глаз является его селективность в отношении параметров сигнала: положение в поле зрения, интенсивности, размера, цвета. Поскольку на уровне переднего двухолмия эти параметры сигнала не выделяются в меха­низме угасания, приходиться учитывать более высокий уровень анализа сигнала.

,г~   Изучение  нейронов гиппокампа  показало,  что  их  реакции иа сенсорные раздражения угасают селективно относительно параметров сигнала  так,  что они отвечают только на новые раздражители. Сигнал  новизны, генерируемый нейронами гиппокампа, вызывает . реакцию активации ретикулярной формации ствола мозга. Можно ^ предположить, что на командном нейроне саккадических движений глаз  переднего  двухолмия сходятся два  сигнала:  сигнал от ло­кальных детекторов положения стимула на сетчатке, поступающий от  нейронов  верхних  слоев  переднего  двухолмия,  и активация, запускаемая сигналом новизны нейронов гиппокампа. г "По  мере  повторения  стимула  вклад  сигнала  новизны умень­шается, активация ослабевает и локальный детектор переднего двухол­мия уже не может возбудить  командный нейрон саккадического движения глаз. Если световое раздражение изменяет свое положение поле  зрения  (интенсивность,  размер  или  цвет), возникающий

сигнал новизны приводит к развитию активации, складывающейся с-вч»буждением локального детектора и возбуждающей командный нейрон, реализующий саккаду. Следует подчеркнуть, что селектив­ное угасание реакций гиппокампальных нейронов определяется от­ключением от них входов кортикальных детекторов. Таким образом, селективность угасания саккад определяется угасанием корковых структур в анализе того сигнала, который запускает саккаду.

Произвольные саккады в виде переноса взора с одной точки зрительной сцены на другую реализуются параллельным каналом с участием командных нейронов лобных отделов коры головного мозга [10, 11]. Особенностью произвольных саккад является то, что в их генерации участвуют нейроны константного экрана. Кон­стантный экран образован нейрона^лд тёШннои коры, учитывающими сигналы относительно положения глаз в орбитах. При переносе взора с одной точки на другую вся зрительная сцена смещается относительно сетчатки, но остается неподвижной на константном экране. Рассмотрим простейшую зрительную сцену, состоящую из нескольких точек одинаковой интенсивности. Пусть глаза фикси­руют одну из этих точек. Все остальные точки, равные по интен­сивности, не имеют преимуществ в запуске саккады. Приоритет та или иная точка на константном экране приобретает в резуль­тате ее селективной активности, которая осуществляется по меха­низму временной связи.

Произвольная саккада реализуется набором первичных команд­ных нейронов лобной коры, за каждым из которых "закреплена" определенная саккада за счет фиксированных связей с двумя вто­ричными командными нейронами, ответственными за вертикальную и горизонтальную составляющие саккады. Эти фазические премо-торные нейроны являются общими для ретинотектальных и ре-тинокортикальных саккад. Особенностью первичных командных ней­ронов лобной коры является то, что все лобные детекторы кон­стантного экрана потенциально подключены ко всем первичным командным нейронам. Выбор связей между локальными детекто­рами константного экрана и первичными командными нейронами лобной коры происходит при участии вторичных селективных де­текторов положения линии взора, которые дают аксоны, образующие синапсы на синапсах, связывающих локальные детекторы константного экрана с первичными командными нейронами лобной коры.

В зависимости от того, какой детектор линии взора возбужден, происходит соответствующая активация синапсов детекторов кон­стантного экрана на командных нейронах. В результате командные нейроны подключаются к элементам константного экрана так, что точка, фиксируемая на константном экране, становится центром от­счета саккад. Теперь точка, активированная в качестве цели произ­вольной саккады, возбуждает такой командный нейрон, который обеспечивает перенос взора на эту целевую точку. Одновременно вся зрительная сцена смещается по сетчатке и зрительной коре, но остается неподвижной относительно константного экрана в теменной коре. В результате смещается линия взора на цель, связи нейронов константного экрана с первичными командными нейронами опять перестраиваются так, что отсчет следующей саккады начинается опять от фиксируемой точки. Удержание фиксируемой точки происхо­дит под влиянием селективных детекторов линии взора, связанных с тоническими командными нейронами, удерживающими глаза в достиг­нутом положении посредством тонических нейронов вертикальной и горизонтальной составляющих.

Зачем нужен константный экран в управлении произвольными саккадами? Дело в том, что на тектальном аконстантном экране все точки даны в координатах сетчатки и при движении глаз их координаты меняются. Поэтому различить точки по их положению в объективном пространстве невозможно. В результате и систе­матический обзор зрительной сцены с использованием тектального аконстантного экрана оказывается невозможным.

Константный экран, позволяя производить систематический обзор сцены, кроме того, связан с мнемическим экраном, содержание ко­торого пополняется в ходе обзора сцены. На мнемическом экране строится изображение сцены, накопленное за определенный период времени. Используя изображение, накопленное на мнемическом экране, можно организовать целенаправленные движения глаз в полной темноте, а также в отношении объектов воображаемой сцены. Мнемический экран подсоединен к командным нейронам управления глаз парал­лельно актуальному константному экрану по тому же принципу. Выбор связей между элементами мнемического экрана и командными нейронами реализуется от детекторов положения глаз.

Выше были рассмотрены нейронные механизмы классификации сигналов и управления движением в пространстве. В действитель­ности программа классификации сигналов и программа управления целенаправленным движением образуют единую систему, позволяю­щую организовать движение в соответствии с результатами анализа свойств объектов, образующих зрительную сцену. Параллельная переработка информации в этой интеллектуальной системе управ­ления движениями открывает возможность для ее эффективного ис­пользования в робототехнике.