2. ИСКУССТВЕННЫЕ НЕЙРОННЫЕ СЕТИ

Сеть нейронов, образующая человеческий мозг, представляет собой высокоэффективную комплексную, существенно параллельную систему обработки информации. Она способна организовать свои нейроны таким образом, чтобы реализовать восприятие образа, его распознание во много раз быстрее, чем эти задачи будут решены самыми современными компьютерами. Так распознание знакомого лица происходит в мозге человека за 100—120 мс, в то время как компьютеру для этого необходимы минуты и даже часы.

Сегодня, как и 40 лет назад, несомненно то, что мозг работает более эффективно и принципиально другим образом, чем любая вычислительная машина, созданная человеком. Именно этот факт в течении стольких лет побуждает и направляет работы ученых по созданию и исследованию искусственных нейронных сетей.

2.1. Эволюция взглядов на высшую нервную деятельность

Вопрос, является ли живой организм чем-то вроде машины, впервые был поднят французским философом и математиком Рене Декартом (1596—1650). Декарт жил в период подъема механики, когда Кеплер и Галилей приступили к разработке идей о движении небесных тел. Радикально новые взгляды на человека и Вселенную получали тогда только первый толчок. До этого царили представления, что законы Природы, начиная от падения камней и заканчивая движением планет, являются неизменными и незыблемыми. Вселенная представлялась как поражающий воображение своими масштабами часовой механизм, созданный и приведенный в движение Великим Творцом. На бытовом уровне эти представления находили воплощение в механических безделушках, создаваемых для обитателей зажиточных домов Европы. Часы с кукушкой, фонтаны в аллеях, обливающие посетителей, случайно наступивших на скрытую пружину — разве нельзя было объяснить мысли и действия человека в похожих механистических терминах?

По Декарту, все действия, как у человека, так и у животных, являются ответом на события внешнего мира. Внешний раздражитель возбуждает один из органов чувств. Возбуждение передается в мозг, который направляет его на соответствующие мускулы. Таким образом, возбуждение органов чувств приводит к сокращению мускул, то есть к развитию реакции на внешний раздражитель. Энергия раздражителя как бы отражается обратно нервной системой через мускулы животного. Термин рефлекс (от англ. reflex — отражение, отсвет, отблеск) берет начало именно в этих рассуждениях Декарта.

Прогресс в понимании механизмов таких реакций был достигнут несколько позднее на опытах с животными, у которых был удален мозг. Около 1750 года шотландский ученый Витт доказал, что такие движения контролируются спинным мозгом. Он обнаружил, что обезглавленная лягушка отдергивает ноги от булавки, но если удалить у нее одновременно головной и спинной мозг, она перестает реагировать на уколы.

Дальнейший толчок в изучении безусловных рефлексов был получен во время Французской Революции. Пьер Кабани, друг и врач некоторых ее лидеров, исследовал, сохраняется ли сознание после гильотинирования. Он пришел к выводу, что нет, и что судороги обезглавленного тела являются скорее рефлекторными действиями. Эти мрачные исследования были продолжены немецким исследователем Теодором Бишофом, который выполнил серию экспериментов над головами казненных преступников. Даже достаточно сильные возбудители не производили никакого эффекта в течение первой минуты после обезглавливания.

Классические условные рефлексы первым описал в начале XX века И. П. Павлов, сразу же усмотревший в них простейшую форму обучения, благодаря которой ассоциируются два события. При классическом условном рефлексе исходно неэффективный раздражитель, называемый условным, повторно сочетается с высокоэффективным раздражителем, называемым безусловным. Вначале условный раздражитель вызывает лишь слабый ответ или вообще никакого; безусловный раздражитель провоцирует бурную реакцию без какого бы то ни было предварительного обучения. В результате выработки условного рефлекса условный раздражитель приобретает способность вызывать либо сильный, либо новый ответ. Для того, чтобы образовалась условная связь, то есть произошло обучение, условный раздражитель должен коррелировать с безусловным, предшествуя ему на некоторый критический промежуток времени.

До начала текущего столетия большинство нейрофизиологов верило, что маршрут рефлекса пролегает через существенно непрерывные нити нервной ткани. Понятие синапса, щели между нейронами, посредством которой они должны взаимодействовать, является сравнительно новым. Исследования, устанавливающие наличие синапса и его роль в нервной активности, были выполнены на рубеже веков английским физиологом сэром Чарльзом Шеррингтоном (1857—1952). Работа Шеррингтона затрагивала поведенческий уровень, а не электрофизиологический. Тем не менее, из анализа рефлекторных действий собак, кошек и обезьян он сумел разгадать основные принципы работы синапса.

К первым попыткам раскрыть секреты анатомической организации мозга можно отнести исследования Сантьяго Рамон-и-Кахаля (1911). Применив метод окраски нейронов солями серебра, разработанный ранее Ка-милло Гольджи (серебро избирательно проникает в нейроны, но не

пропитывает другие клетки мозга), Кахаль увидел, что мозг имеет клеточную архитектуру. Кроме нейронов в состав мозга входят разнообразные глиальные клетки, выполняющие опорные функции и участвующие в репарационных процессах. Кахаль описал нейроны как поляризованные клетки, которые получают сигналы сильно разветвленными отростками, получившими название дендритов, а посылают информацию неразветвленными отростками, названными аксонами (см. рис. 7).

Рис. 7. Ансамбль нервных клеток головного мозга человека

Окрашивание по Гольджи позволило выявить огромное разнообразие нейронов по форме тела, разветвленности дендритной части и длине аксона. Кахаль выявил различия между клетками с короткими аксонами, взаимодействующими с соседними нейронами, и клетками с длинными аксонами, проецирующимися в другие участки мозга.

Несмотря на различия в строении, все нейроны проводят информацию одинаково. Информация передается по аксонам в виде коротких электрических импульсов, так называемых потенциалов действия, амплитуда которых составляет около 100 мВ, а длительность 1 мс. Возникновение импульсов связывают с движением положительно заряженных ионов натрия через поверхностную клеточную мембрану из внеклеточной жидкости внутрь клетки, в ее цитоплазму.

Концентрация натрия в межклеточном пространстве примерно в 10 раз больше его внутриклеточной концентрации. В состоянии покоя поддерживается трансмембранная разность потенциалов около -70 мВ. При этом ионы натрия проникают в клетку медленно, так как доступ туда для них ограничен свойствами мембраны. Физическая или химическая стимуляция,

деполяризующая мембрану, увеличивает ее проницаемость для ионов натрия. Поток натрия внутрь клетки еще сильнее деполяризует мембрану, делая ее все более проницаемой.

Когда достигается некоторое критическое значение потенциала, называемое пороговым, положительная обратная связь приводит к регенеративным сдвигам, в результате которых знак разности потенциалов изменяется на противоположный, то есть внутреннее содержимое клетки становится заряженным положительно по отношению к внешней среде. Приблизительно через 1 мс проницаемость мембраны для натрия падает и трансмембранный потенциал возвращается к своему значению в состоянии покоя -70 мВ. После каждого такого "взрыва" нейрон остается на несколько миллисекунд рефрактным, то есть натриевая проницаемость мембраны в этот период не может изменяться. Это кладет предел частоте генерации импульсов — не более 200 раз в секунду.

Хотя аксоны и похожи на провода, импульсы они проводят иначе. Их кабельные характеристики неважные: сопротивление вдоль оси слишком велико, а мембранное сопротивление слишком мало. Положительный заряд рассеивается уже через 1—2 мм. Чтобы преодолевать расстояния, составляющие иногда несколько сантиметров, импульсы должны регенерироваться. Необходимость повторно усиливать ток ограничивает максимальную скорость распространения нервного импульса по аксону до 100 м/с.

Связи между нейронами опосредуются химическими передатчиками — нейромедиаторами — выделяющимися из окончаний отростков нейронов в синапсах. Когда потенциал действия достигает окончания аксона, молекулы медиатора выходят из внутриклеточных маленьких пузырьков, где они хранятся, в синаптическую щель — пространство шириной 20 нм между мембранами пресинаптической и постсинаптической клеток. Когда возбуждение достигает пика, начинается координированное выделение молекул нейромедиатора.

Высвободившиеся молекулы нейромедиатора связываются с рецепторами в постсинаптической мембране, что изменяет ее проницаемость. Эффект будет возбуждающим, если изменение заряда приближает мембранный потенциал к порогу генерирования импульса. Если же мембрана стабилизируется на уровне потенциала покоя, эффект будет тормозным.

Каждый синапс дает лишь незначительный эффект на активность аксона нейрона. Чтобы установилась интенсивность выхода, каждый нейрон должен непрерывно интегрировать до 1000 синаптических входов.

Еще в начале века нейрофизиологам стала ясна исключительно важная роль синапсов в обучении. Сигналы мозга, проходя через них, могут в разной степени усиливаться или ослабляться. Обращает на себя внимание и такой факт. Мозг новорожденного и мозг взрослого человека содержат

примерно одинаковое количество нейронов. Но только мозг взрослого человека отличается упорядоченностью межнейронных синаптических связей. По-видимому, обучение мозга и есть процесс изменения архитектуры нейронной сети, сопровождаемый настройкой синапсов.