История нейробионики как науки

I Введение

     Процессы в нейронных структурах мозга давно привлекают к себе внимание специалистов, разрабатывающих новые принципы построения эффективных информационных систем. Выявление принципов нейронной организации мозга становится теперь особенно актуальным в связи с возникновением идей по созданию многоканальных вычислительных систем с параллельной обработкой информации, разработкой автономных управляющих систем типа роботов, развитием идей искусственного интеллекта.

        Основной задачей нейробионики является исследование нейронной организации мозга, направленное на разработку новых принципов построения искусственных информационных систем из нейроподобных элементов. Эта задача разветвляется на следующие три: структурно-функциональное моделирование нейронов, моделирование нейронных механизмов обучения и памяти, структурно-функциональное моделирование нейронных сетей[1, с.15].

Важным условием развития нейробионики как науки об общих принципах нейронной организации с последующим использованием этих принципов в технике является создание соответствующей элементной базы. Такой базой являются, в частности, нейроподобные суммирующие {3}  аналоговые элементы со многими входами, коэффициенты связей (веса) которых могут временно или длительно изменяться. Эти изменения достигаются либо воздействием на связи сигналов от других элементов, выполняющих функции управления связями, либо в процессе прохождения по ним сигналов.

     Нейробионические структуры могут явиться эффективной элементной базой для создания роботов, обладающих в той или иной степени искусственным интеллектом. Константность восприятия и управления движением в константно воспринимаемой среде — вот главное их достоинство.

 

Прикладные задачи нейробионики определяются требованиями техники, промышленности и направлены в основном на разработку многоэлементных информационных систем, в которых используются принципы организации нейронных структур мозга, на разработку практических рекомендаций по их созданию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

II Основная часть

Глава 1. История нейробионики как науки.

    Нейробионика - раздел бионики, ставящий своей целью изучение и моделирование деятельности нервной системы человека и животных для нужд техники.

    Прародителем науки считается Леонардо Да Винчи, он говорил: "Милостивая природа позаботилась так, что ты во всем мире найдешь чему подражать". Изучая строение крыльев птиц, Леонардо Да Винчи мечтал о полете в воздухе. Позднее по его схемам и чертежам была разработана модель орнитоптера.

     В 1962 - 1966 гг. учеными-нейробиониками были исследованы биологические системы различных уровней сложности. Моделирование речевого поведения человека и ассоциативной памяти, также бы проведены разработки методик исследований электрической активности структур головного мозга и отдельных нейронов, управлению основными нервными процессами в головном мозге с помощью электрических токов и магнитного поля[5].

     Из современных ученых можно назвать имя Осипа М.Р. Дельгадо. С помощью своих радиоэлектронных приборов он изучал неврологическо-физические характеристики животных. И на их основе пытался разработать алгоритмы управления живыми организмами. Подобные опыты проводились и в СССР, а в Российской Федерации в связи с общим упадком науки - многие программы были свернуты, а многие специалисты трудятся теперь в зарубежных исследовательских центрах.

    Биологические науки позволяют создать новые технические средства и инженерные решения, дающие возможность человеку неизмеримо увеличить как свои возможности, так и власть над окружающей его средой.

     В медицине описаны проекты (частично осуществленные) так называемых следящих систем, призванных поддерживать на определенном уровне функциональное состояние мозга (наркотическое состояние, сна, гипноза, эпилепсия, скорость и количество введения медикаментов). Академик Н.П. Бехтерева подчеркивала: сочетание воздействий, технически основанных на принципе обратной связи (а в общем плане - на принципе условного рефлекса), с новыми данными об организации мозга открывает ещё одну возможность в лечении его заболеваний.

   Также нейробионика может помочь конструктору ЭВМ в создании необычайно емкой памяти машины; конструктору приборов эта наука способна будет предложить новые варианты высокочувствительных электронных "глаз", "ушей", "носа". Нейробионика поможет врачу в автоматизации наркоза и анабиоза, позволит добиться управления возбуждением и торможением в центральной нервной системе, сформировать надежные методы оценки нервно-психологического состояния человека.

      В 1956 г. советскими учеными  в Центральном научно-исследовательском институте протезирования и протезостроения Министерства социального обеспечения РСФСР был создан макетный образец "биоэлектрической руки" -- протеза, управляемого с помощью биотоков мышц культи. Это "чудо ХХ в.", впервые демонстрировалось в советском павильоне на Всемирной выставке в Брюсселе.

     Конструкция первого механического сердца была разработана еще в конце 1930-х гг. русским хирургом Владимиром Демиховым. Устройство это представляло собой насос, приводящийся в действие электромотором. Эксперименты показали перспективность идеи как таковой: собакам, у которых функции удаленного сердца выполнял его рукотворный аналог, удавалось прожить до двух с половиной часов. Спустя 30 лет после этих опытов была проведена первая подобная операция на человеке. Цель ее была сравнительно скромной - дать пациенту возможность протянуть несколько дней в ожидании донорского сердца. В начале 1980-х гг. было создано устройство, рассчитанное на длительный период работы. Искусственное сердце, которое получило название "Jarvik-7", предназначалось также и для больных, которые никогда не дождутся своего донора. Ситуация обычная, поскольку органов, пригодных для трансплантации, никогда не было в избытке. Первый из пациентов, подключенных к "Jarvik-7", прожил 112 дней, еще один - 620 дней[6].

       В апреле 2001 г. в России создана первая в мире интеллектуальная машина - брейнпьютер, которая способна выполняющая функции головного мозга человека. В основу принципа работы нового компьютера положена модель клетки головного мозга человека, созданная с учетом последних открытий в области нейрофизиологии и нейроморфологии. По сообщению Интерфакса, идея создания искусственного "мозга" принадлежит российскому ученому, академику международной академии информатизации Виталию Вальцеву. По словам ученого, брейнпьютер вначале "проходит обучение как новорожденный ребенок", что позволяет запрограммировать некую модель его действий.

      Все предыдущие попытки ученых создать искусственный интеллект терпели неудачу, главным образом, потому, что за основу бралась модель нейрона спинного мозга человека. Виталий Вальцев для создания по-человечески мыслящих машин заменил базовый элемент нейрокомпьютеров, с модели нейрона спинного мозга на модель нейрона головного мозга.

        В будущем ученые будут добиваться направленного воздействия физических факторов на определенные участки центральной нервной системы, уяснять в полной мере механизм адаптивных реакций организма на системном уровне. Использование, с одной стороны, биологических принципов для познания собственного организма, работы нашего мозга, с другой стороны - создание новых совершенных механизмов, машин, систем, базирующихся на использовании биологических принципов деятельности, сформировавшихся на протяжении миллионов лет эволюции живого на земле. Также для написания компьютерных программ, имитирующих мысленную деятельность человека, вероятно, будет использоваться новый способ, изобретенный Джеймсом Андерсоном (James Anderson). Доктор Андерсон создал "перспективный симплекс" (perspective simplex), или Perspex, - способ написания компьютерной программы, напоминающей скорее геометрическую структуру, нежели последовательность инструкций. Это изобретение не только делает теоретически возможным разработку роботов с мышлением, способным к обучению и развитию, оно также дает ключ к решению философской проблемы отношения разума и тела живых существ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2.Возможноти нейробионики.

       Нейробионика — наука об организации технических систем из нейроподобных элементов. Основным этапом нейробионических исследований является моделирование нейроподобных систем при помощи ЭВМ или на базе уже имеющихся функциональных элементов. Под нейроподобными системами понимаются физические системы или математические модели, воспроизводящие наиболее существенные информационные свойства нейронных структур.

       Систематизация накопленных к настоящему времени фактов нейробиологии и полученных в настоящей работе результатов, которые реально воспроизводимы в моделях ИС, позволяет обосновать вывод о том, что для повышения эффективности построения и прогнозирования путей развития ИИ первостепенное значение имеют следующие особенности мозга. Построение динамически перестраивающейся архитектуры коры из 8 разнотипных элементов. Генез памяти, потребности, доминанты, различных форм условных рефлексов, составляющих основу интеллектуальных процессов мозга, в выходных интегрирующих элементах модуля коры больших полушарий мозга. Направленность особенностей торможения и запрещающих команд, которые до настоящего времени не были использованы в ИС, на повышение быстроты, точности и надежности выполнения сложных функций, формирование пачечной активности, связанной с реализацией наиболее сложных функций, повышение информационной значимости сигнала, устранение ошибки в недостаточно обученной системе и при нарушениях памяти, создание оптимального состояния последующих исполнительных структур, эффективную борьбу с шумами. Постоянное количественно и качественно изменение комбинации работы параллельно и иерархически организованных структур обеспечивает необходимую минимизацию числа связей и потоков информации, снижает перегрузки деталями работы конечных уровней иерархии и снижает объем поступающей к ним информации, обеспечивая сочетание быстродействия с использованием больших объемов памяти при выполнении сложных задач. Дифференцированное поступление по отдельным ветвям аксона с одного выхода интегрирующего выходного нейрона модуля информационных и управляющих сигналов на последующие близко расположенные и исполняющие разные функции структуры обеспечивает возможность координации большого числа разных функций в малом объеме, резко повышающее эффективность работы мозга. Улучшение качества обработки и передачи сигналов по мере увеличения объема и сложности информации и сложности работы регулирующих механизмов за счёт раздельности реакций на силовые и временные параметры от одного сигнала.

   Наибольшие возможности моделирования высших функций мозга в ИИС лежат на путях использования целенаправленной потребностно-возбудительной регуляции в элементах, реализующих конечные функции мозга. Этим создаются возможности значительного расширения диапазона сигналов, вызывающих данную функцию (по типу доминантности реального мозга), снятия реакций на стимулы потерявшие актуальность, определения информационной значимости разных сигналов и обеспечения реакции микросети в соответствии с этим критерием, автоматизированного отслеживания стадии выполнения задачи, принятия решения об ее окончании, возможность обучения и формирования функций прогнозирования и т.д.

      На этой основе создано программно-информационное обеспечение ИИС – Брейнпьютер. В Брейнпьютере реализуются возможности выполнения таких высших функций мозга, как целенаправленный выбор наиболее значимой информации из внешней среды, реализация ситуационных стратегий по режимам принятия решений, управление решениями задач и их ранжировка, решение задач в условиях неопределенности и др.

    Настройка потребностно-возбудительной регуляции позволяет Брейнпьютеру эффективно решать широкий круг принципиально разных задач, что продемонстрировано на примерах решения задач распределения ресурсов на телевидении и управления большими системами из оборонной сферы.

       Можно выделить два класса нейроподобных структур: сети их нейроподобных элементов и локальные цепи, в которых элементами выступают отдельные компоненты нейронов. Частным случаем локальных цепей является взаимодействие дендритов.

        После выяснения организации тех или иных нейронных механизмов оказывается возможным из нейроподобных элементов строить системы, не имеющие прямых биологических прототипов, но отвечающие общим принципам их построения.

        Важным условием развития нейробионики как науки об общих принципах нейронной организации с последующим использованием этих принципов в технике является создание соответствующей элементной базы. Такой базой являются, в частности, нейроподобные суммирующие аналоговые элементы со многими входами, коэффициенты связей (веса) которых могут временно или длительно изменяться. Эти изменения достигаются либо воздействием на связи сигналов от других элементов, выполняющих функции управления связями, либо в процессе прохождения по ним сигналов.

       Нейробионические структуры могут явиться эффективной элементной базой для создания роботов, обладающих в той или иной степени искусственным интеллектом. Константность восприятия и управления движением в константно воспринимаемой среде — вот главное их достоинство.

        Так же нейробионика занимается разработкой манипуляционной системы с биоэлектрическим управлением. Сегодня биоэлектрические протезы могут выполнять многие функции руки человека, за исключением игры на фортепиано и поднятия больших тяжестей. Протезы могут даже чувствовать. Тензометрические чувствительные элементы на концах пальцев измеряют частоту колебаний зуммера, закрепленного на руке рядом нервом, ведущим к мозгу. При сжатии пальцев с силой до 3 кГ) искусственная рука чувствует изменения порядка 0,1 кг. Имеются протезы, в которых тензометрические чувствительные элементы управляют сервомеханизмами, сжимающими пальцы. Применяют также логические и программные устройства, которым достаточно одного сигнала, чтобы протез выполнил целый ряд действий. Все говорит за то, что наибольшее распространение получат протезы с обратной связью (с сигнализацией в виде колебаний или электрических импульсов, передаваемых коже). Биоэлектрические протезы будущего научатся реагировать на температуру и состояние поверхности предмета.