Актуальность поставленной задачи 2 страница

Актуальность поставленной задачи

Людей всегда интересовало их собственное мышление. Это самовопрошение, думание мозга о себе самом является, возможно, отличительной чертой человека. Имеется множество размышлений о природе мышления, простирающихся от духовных до анатомических. Обсуждение этого вопроса, протекавшее в горячих спорах философов и теологов с физиологами и анатомами, принесло мало пользы, так как сам предмет весьма труден для изучения. Те, кто опирался на самоанализ и размышление, пришли к выводам, не отвечающим уровню строгости физических наук. Экспериментаторы же нашли, что мозг труден для наблюдения и ставит в тупик своей организацией. Короче говоря, мощные методы научного исследования, изменившие наш взгляд на физическую реальность, оказались бессильными в понимании самого человека.

Нейробиологи и нейроанатомы достигли значительного прогресса. Усердно изучая структуру и функции нервной системы человека, они многое поняли в «электропроводке» мозга, но мало узнали о его функционировании. В процессе накопления ими знаний выяснилось, что мозг имеет ошеломляющую сложность. Сотни миллиардов нейронов, каждый из которых соединен с сотнями или тысячами других, образуют систему, далеко превосходящую наши самые смелые мечты о суперкомпьютерах. Тем не менее мозг постепенно выдает свои секреты в процессе одного из самых напряженных и честолюбивых исследований в истории человечества.

Лучшее понимание функционирования нейрона и картины его связей позволило исследователям создать математические модели для проверки своих теорий. Эксперименты теперь могут проводиться на цифровых компьютерах без привлечения человека или животных, что решает многие практические и морально-этические проблемы. В первых же работах выяснилось, что эти модели не только повторяют функции мозга, но и способны выполнять функции, имеющие свою собственную ценность. Поэтому возникли и остаются в настоящее время две взаимно обогащающие друг-друга цели нейронного моделирования: первая – понять функционирование нервной системы человека на уровне физиологии и психологии и вторая – создать вычислительные системы (искусственные нейронные сети), выполняющие функции, сходные с функциями мозга.

Быстрое накопление экспериментальных данных в последней четверти XX века подготовило фундамент, если не для создания окончательной версии ответа на вопрос: "Как мыслит человек!", то, по крайней мере, для того чтобы попытаться построить с учетом последних достижений физики, биофизики и компьютерной техники новую концепцию работы мозга, которая не противоречила бы экспериментальным данным. Существуют и другие стремления к ускоренному развитию нейронаук, диктуемые практическими запросами медицины и поиском нетрадиционных путей создания "интеллектуальной" техники.

Актуальность данной проблемы очевидна. Ежегодно тысячи людей становятся жертвами заболеваний и нетрудоспособности вследствие повреждения мозга, включающих основные психические, наследственные и дегенеративные заболевания, инсульты, нарушения в связи с наркоманиями, влияние пренаталъных факторов, нейротоксинов в окружающей среде и травм, а также нарушений речи, слуха и других когнитивных расстройств. Разработка искусственных моделей нейронных сетей позволит вылечить большое число таких заболеваний.

Нейронные сети можно использовать не только для лечения болезней непосредственно связанных с мозгом, но и в более широкой сфере, например в диагностике.

В 1990 году Вильям Бакст из Калифорнийского университета в Сан-Диего использовал нейронную сеть - многослойный персептрон - для распознавания инфаркта миокарда у пациентов, поступающих в приемный покой с острой болью в груди. Его целью было создание инструмента, способного помочь врачам, которые не в силах справиться с потоком данных, характеризующих состояние поступившего больного. Другой целью может быть совершенствование диагностики. Свою задачу исследователь усложнил, поскольку анализировал данные только тех пациентов, кого уже направили в кардиологическое отделение. Бакст использовал лишь 20 параметров, среди которых были возраст, пол, локализация боли, реакция на нитроглицерин, тошнота и рвота, потение, обмороки, частота дыхания, учащенность сердцебиения, предыдущие инфаркты, диабет, гипертония, вздутие шейной вены, ряд особенностей ЭКГ и наличие значительных ишемических изменений.

Сеть продемонстрировала точность 92% при обнаружении инфаркта миокарда и дала только 4% случаев сигналов ложной тревоги, ошибочно подтверждая направление пациентов без инфаркта в кардиологическое отделение. Итак, налицо факт успешного применения искусственных нейронных сетей в диагностике заболевания.

Нейросети также можно использовать и для прогноза действия различных разрабатываемых средств лечения. Они уже успешно применяются в химии для прогноза свойств соединений на основе их молекулярной структуры. Исследователи из Национального института рака в США использовали нейросети для предсказания механизма действия препаратов, применяемых при химиотерапии злокачественных опухолей. Заметим, что существуют миллионы различных молекул, которые необходимо исследовать на предмет их антираковой активности. Специалисты Института рака разбили известные онкологические препараты на шесть групп в соответствии с механизмом их действия на раковые клетки и обучили многослойные сети классифицировать новые вещества и распознавать их действие. В качестве исходных данных использовались результаты экспериментов по подавлению роста клеток из различных опухолей. Нейросетевая классификация позволяет определить, какие из сотен ежедневно апробируемых молекул стоит изучать далее в весьма дорогих экспериментах in vitro и in vivo. Для решения аналогичной задачи использовались и сети Кохонена. Эти обучаемые без учителя самоорганизующиеся нейросети разбивали вещества на заранее неизвестное число кластеров и поэтому дали исследователям возможность идентифицировать вещества, обладающие новыми цитотоксическими механизмами воздействия.

Диагностика и лечение онкологических заболеваний, а также разработка новых медикаментозных средств несомненно представляют собой важнейшую область применения нейросетевых технологий. Однако в последнее время среди исследователей и врачей растет осознание того факта, что будущие успехи должны быть тесно связаны с изучением молекулярных и генетических причин развития заболеваний.

Не случайно в апреле 1997 года эксперты Национального института здоровья (США) выступили с рекомендациями по усилению исследований, связанных с выявлением причин, вызывающих рак, и разработок, направленных на предупреждение болезней. Нейросети уже довольно давно активно применяются в анализе геномных последовательностей ДНК, в частности для распознавания промоторов - участков, предшествующих генам и связываемых с белком РНК-полимераза, который инициирует транскрипцию. Их используют для дифференциации кодирующих и некодирующих участков ДНК (экзонов и интронов) и предсказания структуры белков.

География исследовательских групп, применяющих нейросети для разработки медицинских приложений, очень широка. О США нечего и говорить - в университете каждого штата ведутся подобные исследования, причем главное их направление - рак молочной железы. Да что там университеты - военные академии этим тоже занимаются. В Чехии Иржи Шима разработал теорию обучения нейронных сетей, способных эффективно работать с так называемыми интервальными данными (когда известны не значения параметра, а интервал его изменения), и использует их в различных медицинских приложениях. В Китае сотрудники Института атомной энергии обучили нейросеть отличать больных с легкими и тяжелыми заболеваниями эпителия пищевода от тех, кто страдает раком пищевода, на основе элементного анализа ногтей. В России в НИИЯФ МГУ нейросети применяются для анализа заболеваний органов слуха. Наконец, в Австралии Джордж Христос использовал теорию нейронных сетей для построения первой гипотезы о причинах загадочного синдрома внезапной смерти новорожденных.

И это только в медицине. А возможности, предоставляющиеся при использовании нейронных сетей в других сферах жизни, порою трудно вообразить. Например, компания Psynapse, стартап-компания из Вашингтона, утверждает, что, комбинируя науки о поведении и о компьютерах, удалось создать первую анти-хакерскую систему. Разработчики обещают, что новая система сетевого мониторинга, не будет впускать хакеров в сеть и отключит их еще до того, как они смогут как-либо навредить.

Система защиты от вторжений Checkmate компании Psynapse в реальном времени оценивает действия каждого посетителя сети, и если она замечает поведение, указывающее на попытки взлома безопасности, автоматически ограничивает доступ взломщика. По словам основателя и СЕО Psynapse Гарри Джексона это большой прогресс по сравнению с существующими системами, которые обычно лишь посылают сигналы тревоги сетевым администраторам. Система Checkmate отличается от существующих систем мониторинга, которые в основном представляют собой системы на основе продукционных правил или на основе распознавания подписей. Такие технологии ограничены, поскольку базируются на распознавании известных алгоритмов взлома и последовательных обновлениях баз данных.

Для создания Checkmate Джексон обратился к наукам о поведении и в основу системы заложил нейронную сеть. Используя процесс, сходный с тем, который протекает при развитии психологических оценок, эксперты по компьютерной безопасности Psynapse описали алгоритмы поведения, о которых программа будет сообщать администраторам. "Однажды столкнувшись с явлением, обучившись", - говорит Джексон, - "Checkmate может обобщить его и использовать в ситуациях, с которыми она раньше никогда не сталкивалась". По данным компании тестирование показывает, что Checkmate так же аккуратна, как и человек – и намного быстрее. По сравнению с людьми-экспертами, Checkmate "гораздо стремительнее, тот есть может оценить намерения пользователей сети в реальном времени," говорит Джексон. Checkmate, продажи которой начнутся в январе, будет продаваться как готовое к использованию приложение. Ожидаемая начальная цена - $30,000 за единицу товара.

О возможностях использования нейронных сетей можно говорить бесконечно. Они используются в финансовом прогнозировании,….И в первую очередь в построении искусственного интеллекта и интеллектуальных роботов. Актуальность развития этой сферы науки очевидна.

Развитие искусственных нейронных сетей вдохновляется биологией. То есть рассматривая сетевые конфигурации и алгоритмы, исследователи мыслят их в терминах организации мозговой деятельности. Но на этом аналогия может и закончиться. Наши знания о работе мозга столь ограничены, что мало бы нашлось руководящих ориентиров для тех, кто стал бы ему подражать. Поэтому разработчикам сетей приходится выходить за пределы современных биологических знаний в поисках структур, способных выполнять полезные функции. Во многих случаях это приводит к необходимости отказа от биологического правдоподобия, мозг становится просто метафорой, и создаются сети, невозможные в живой материи или требующие неправдоподобно больших допущений об анатомии и функционировании мозга. Несмотря на то что связь с биологией слаба и зачастую несущественна, искусственные нейронные сети продолжают сравниваться с мозгом.

Для лучшего понимания задачи и ее решения необходимы некоторые знания из анатомии.

3. 1.2 Некоторые сведения из анатомии мозга и нейрона

Мозг состоит из нескольких больших участков, каждый из которых отвечает за какие-то жизненные функции. Мозг включает: ствол головного мозга (задний мозг), мозжечок, лимбическую систему, диэнцифалон и кору головного мозга (рис.1).

Ствол головного мозга – часть мозга, соединяющая головной и спинной мозг. Он контролирует многие основные функции, такие как биение сердца, дыхание, прием пищи, сон. Осуществляет он это с помощью указаний спинному мозгу, другим частям мозга и тела о том, что необходимо делать для выполнения основных функций.

Мозжечок, который составляет всего одну восьмую веса головного мозга, координирует инструкции мозга по привычным повторяющимся действиям и по поддержанию равновесия и сохранению позы. Это выпуклый рельефный участок, расположенный над стволом головного мозга.

На вершине ствола головного мозга под корой расположен участок более эволюционно примитивной структуры – лимбической системы (рис. 2). Лимбическая система задействована во многих наших эмоциях и мотивациях, особенно в тех, что относятся к выживанию, например, страх и гнев, и тех, что связаны с сексуальным поведением.

Рис.1. Этот рисунок мозга в разрезе демонстрирует некоторые основные области мозга.

Рис.2. Рисунок мозга в разрезе демонстрирует некоторые внутренние структуры мозга. Амигдалоид и гиппокамп находятся глубоко в мозге, но показано так, чтобы было видно в какой части.

Две крупных структуры лимбической системы – амигдалоид и гиппокамп также отвечают за память.

Гиппокамп - (от греч. Hippocampos - мифическое существо Гиппокамп) небольшая часть мозга, одна из функций которой, кратковременная память и сохранение вновь возникающих воспоминаний. Гиппокамп занимается перекодировкой информации в краткосрочной памяти человека для её последующей записи в долговременной памяти.

Диэнцифалон, который также расположен под корой головного мозга, содержит таламус и гипоталамус (рис.2). Таламус задействован в сенсорном восприятиии и регулировании моторных функций (то есть движений). Он соединяет области коры головного мозга, которые отвечают за сенсорное восприятие и движение, с другими частями головного и спинного мозга, у которых также свои роли в ощущениях и движениях.

Гипоталамус очень маленький, но важный компонент диэнцифалона. Он играет главную роль в регулировании гормонов, гипофиза, температуры тела, надпочечника и прочего.

Кора головного мозга, разделенная на правое и левое полушария, составляет около двух третей массы мозга и покрывает большую часть остальных структур мозга. Это самая развитая часть человеческого мозга, ответственная за мышление, восприятие, употребление и понимание языка. Это также самая молодая структура в плане эволюции мозга. Кора головного мозга может быть разделена на области, каждая из которых выполняет свою функцию (рис. 3). Например, есть области, ответственные за зрение, слух, осязание, движение, обоняние. Другие области отвечают за мышление и объяснение причин. Хотя многие функции, такие как осязание, регулируются и правым и левым полушариями, есть такие, которые управляются только одним полушарием. Например, у многих людей способности к языку зависят только от левого полушария.

Рис. 3.Рисунок мозга в разрезе демонстрирует доли коры головного мозга и их функции.

Мозг состоит из миллиардов нервных клеток – нейронов. Нейрон (от греч. neuron -нерв), нервная клетка, состоящая из тела и отходящих от него отростков -относительно коротких дендритов и длинного аксона; основная функциональная и структурная единица нервной системы. Нейрон проводит нервные импульсы от рецепторов в центральную нервную систему (чувствительные нейроны); от центральной нервной системы к исполнительным органам (двигательные нейроны); соединяют между собой другие нервные клетки (вставочные нейроны).

Рис.4. Схема нейрона

Нейрон проводит электрические импульсы, находясь в возбужденном состоянии. Рассмотрим строение нейрона. В природе не существует "типичного" нейрона, поэтому постараюсь схематически описать свойства, общие для большинства нейронов, хотя в каждом специальном случае эту обобщенную картину придется соответственно модифицировать. Возбуждение нейронов изменяет потенциал дендритов и тела клетки. Эффекты этих изменений сходятся на аксонном холмике. В результате чего, при соответствующей пространственно-временной конфигурации пришедших сигналов, импульс мембранного потенциала начинает распространяться по аксону, расходится по концевым разветвлениям и активизирует концевые синаптические луковички, которые в свою очередь изменяют мембранный потенциал других нейронов или мышечных волокон. Луковички так же называют пуговками. Пуговки лежат на других нейронах или на эффекторах. Места соприкосновения этих веточек с другими клетками называются синапсами.

Хоть и указано направление передачи информации от дендритов к аксону, нейрон может "проводить" в обоих направлениях, но, в большинстве случаев, возбуждение передается на дендрит или сому (соматические - клетки животных или растений, кроме половых) той клетки, с которой он образует синапс (рис. 5). При этом возбуждение сначала передается на холмик, а за тем распространяется по аксону, пока не достигнет концевого разветвления.

Рис.5. Синапс

Рассмотрим клетку как живое существо, помещенное в мембрану, между наружной и внутренней поверхностью которой существует разность потенциалов. Если изменить эту разность, то это изменение распространяется пассивным образом (как распространяется тепло от нагретого конца к другим частям металлического стержня). Для клеток с короткими отростками этого достаточно чтобы передать сигнал об изменении потенциала из одного конца системы в другой. Но если аксон достаточно длинный, то этого механизма не достаточно.

У клеточных мембран есть дополнительное свойство: когда разность потенциалов превышает так называемый порог, то в цилиндрических образованиях типа аксона возникает импульс, который активно распространяется, сохраняет постоянную амплитуду, то есть не затухает (подобно горению пороха в металлической трубке, то есть происходит цепная реакция передачи энергии от одного слоя пороха другому, регенеративный процесс). Но в трубке порох прогорит и в дальнейшем возможен только пассивный теплообмен. Поэтому аксон лучше сравнивать с перезаряжающимся запалом: представим, что после распространения каждого такого импульса по аксону происходят химические процессы - аналог -перезарядка запала. Поэтому имеется короткий рефрактерный период (рис. 6), во время которого аксон не может передавать импульс; именно в этот период происходит химическое восстановление.

Рис.6. Осциллограмма колебаний, снятая с изолированного живого нейрона. Запись сделана с LP-нейрона стоматогастрального ЦГР омара, когда активность всех остальных нейронов подавлена. Характерное периодичное затухание является рефрактерным периодом.

Если бы внести разряжение в каком-либо участке по длине аксона, то возбуждение пошло бы в обе стороны. Однако, если импульс возникает на одном конце аксона (обычно на холмике), то он может распространяться лишь в одном направлении, так как возбужденный конец становится рефракторным и остается в таком состоянии довольно долго. Передвигаясь по аксону, он вызывает новые импульсы в каждом из ответвлений (или коллатералий), а те, в свою очередь, вызывают новые импульсы в каждой из более тонких веточек. Когда же импульс доходит до концевой пуговки, то после небольшой задержки на мембране клетки, с которой аксон образует синапс, возникает разность потенциалов. Мембрана концевой пуговки называется пресинаптической мембраной, а мембрана той, клетки, на которую передается импульс, - постсинаптической. В большинстве случаев непосредственная причина изменения потенциала постсинаптической мембраны имеет не электрическую, а химическую природу. В некоторых синапсах изменение поляризации происходит без химических медиаторов. Но, как правило, электрический импульс, достигнув концевой пуговки, вызывает выделение из так называемых синаптических пузырьков вещества, называемого медиатором, которое диффундирует через небольшую синаптическую щель к постсинаптической мембране. Попав на эту мембрану, медиатор вызывает изменение ее поляризации. Медиатор по своему действию может быть двух основных типов: возбуждающим, если он изменяет разность потенциалов на постсинаптической мембране в направлении к пороговому значению, или тормозным, то есть изменяет разность потенциалов в обратную сторону. Здесь действует закон Дейла: если проследить за всеми ветвлениями одного и того же аксона, то все синапсы, образуемые этим аксоном с другими клетками, окажутся либо только возбуждающими, либо только тормозными. Но закон Дейла выведен для беспозвоночных, и может оказаться неверным даже для млекопитающих.

Импульс, достигший концевой пуговки аксона, обычно вызывает лишь предпороговое возбуждение постсинаптической мембраны. Но синапсов обычно много и от одного, и от многих нейронов, и поэтому, накапливаясь, потенциалы, передаваясь пассивным методом, подойдут к аксонному холмику, и суммарное возбуждение может превзойти пороговое, то есть получаем, так называемый, резонанс. Когда согласованный эффект многих таких подпороговых изменений в аксоном холмике превысит порог, и, если это происходит в момент, когда рефрактерный период после предыдущего возбуждения уже закончился, то вдоль аксона начнет распространяться следующий импульс. Если же кумулятивный эффект окажется гораздо больше нормального, то он может превысить и текущее значение порога, прежде чем тот вернется к своему нормальному значению. Период, в течение которого никакое повторное раздражение, не зависимо от его силы, не может вызвать второй импульс, называется абсолютным рефракторным периодом. Когда же очень сильное входное возбуждение может привести к возникновению в аксоне второго импульса, то говорят об относительном рефракторном периоде.

Таким образом, нейрон воспринимает химический сигнал, и реагирует на него повышением или понижением ответов. В этих процессах восприятия химических сигналов и генерации импульсов нейроном важную роль играют перестройки надмолекулярных структур в различных частях данной нервной клетки, а также волны структурных перестроек, сопровождающие передачу информации в пределах данного нейрона и от одного нейрона к другому. Процессы метаболизма (обеспечивающие, в частности, клетку энергией) восстанавливают эти надмолекулярные структуры перестраивающиеся в процессе передачи информации.