От эффектора к действию. Эволюция нейронных структур

Александр Гурьев, Москва, 2020 год

1.    Введение

В моей предыдущей статье («Динамическая семантическая сеть, основанная на действиях» ) была описана концепция системы обработки информации, позволяющая, по моему мнению, реализовать свойства аналогичные сознанию человека. Центральным элементом предложенной там концепции является понятие действия, структуры, представляющей любую активность — как происходящую вовне системы обработки информации (например, сокращение мышц), так и внутри системы (например, активизация нейронов).   В соответствии с предложенной в статье концепцией структура понятия действия обладает довольно сложными свойствами. Эта структура позволяет накапливать и обобщать информацию об этой активности для оценки возможности выполнения и прогнозируемых результатах.

В данной статье я попытаюсь описать реализацию данных свойства путем постепенного усложнения связей базовых элементов нервной системы человека — нейронов, связей между ними, рецепторов и эффекторов. Возможность реализации данных свойств постепенным усложнением связей подтвердит для меня то, что предположение о подобных свойствах действия, сделанное в упомянутой статье, допустимо.

Еще раз отмечу, что я не являюсь специалистом по нейрофизиологии и представленные в статье соображения ни в коем случае не следует рассматривать как утверждения о том, что именно так и устроены связи в человеческом мозге. Цель состоит только в том, чтобы увидеть, возможно ли построить структуру с определенными свойствами на базе элементов и механизмов, имеющихся в нервной системе человека.

В рассуждениях, представленных далее будем опираться на следующую информацию о структуре и функциях нервной системы человека (отличная систематизированная подборка информации на эту тему есть на сайте scorcher.ru:

  • Основным строительным элементом нервной системы является нейрон. Нейрон имеет много входов и один выход. Выход имеет бинарное состояние – активен/неактивен.
  • Сигнал активности (в виде изменения электрического потенциала) с выхода нейрона передается на вход других нейронов с помощью связей. Связи могут быть возбуждающими или тормозящими. Возбуждающие связи увеличивают потенциал внутри нейрона, а тормозящие уменьшают. Нейрон обладает определенным пороговым потенциалом, при превышении которого происходит активизация выходного сигнала. Нейрон выполняет функцию суммирования входных потенциалов (возбуждающих и тормозящих).
  • Сигналы окружающей среды воспринимаются клетками — рецепторами, генерирующими сигнал активности при определенном состоянии внешней среды.
  • Воздействие во внешнюю среду передается путем активизации клеток — эффекторов, которые при возбуждении обеспечивают работу исполнительных органов – мышц, желез.
  • Нейроны обладают способностью динамически образовывать связи. Например, при одновременной активности двух нейронов между ними устанавливается связь. Способность нейронов образовывать связи лежит в основе условных рефлексов.

Учитывая вышеизложенное, рассмотрим, как в мозгу могли бы сформироваться структуры, позволяющие накапливать и использовать информацию об активностях. Это, в свою очередь, будет основой формирования сознания, как способности сознательного выбора действия для выполнения.

2.    Действие как центральное понятие

В упомянутой статье было введено понятие действия как некоторой осознаваемой активности. Cловом «активность» будем обозначать некоторое неосознаваемое действие (например, сокращение мышц или выделение химических веществ), а словом «действие» осознаваемое понятие о некоторой активности.

Активность можно только выполнить или не выполнить, и в нервной системе активность представлена эффектором. То есть активизация эффектора приводит к выполнению активности.

Действие также можно выполнить и тогда оно приведет к выполнению некоторой активности, предусмотренной данным действием. Но помимо выполнения, действие можно «представить», то есть получить некоторую информацию о данном действии не выполняя в реальности активность.

Это «представление» о действиях используется, в частности процедурой «Выбор действия» для получения информации о результатах действия, необходимых условиях для его выполнения и другой информации (см. раздел 3.7.1 статьи).

В следующем разделе рассмотрим, как могла бы выглядеть эволюция системы от простого эффектора к структуре, позволяющей сохранять и использовать информацию об активностях без их непосредственного выполнения.

3.    Эволюция от эффектора к действию

На Рис.1 изображены основные элементы нервной системы: рецепторы, воспринимающие параметры окружающей среды; детекторы, распознающие различные комбинации сигналов рецепторов; эффекторы, активизация которых приводит к исполнению некоторых активностей.

Рис.  1 Основные элементы нервной системы

Чтобы не усложнять изложение, на схемах в дальнейшем, в большинстве случаев, будем использовать упрощенные аналоги нейронов, — без функции суммирования возбуждающих и тормозящих сигналов и сравнения с пороговым значением, ограничиваясь понятиями сильной связи, слабой и тормозящей связи.

Сильные связи обеспечивают активизацию нейрона даже при одной активной подобной связи, то есть обеспечивают логику «ИЛИ».

При слабых связях, для активизации нейрона необходима активность всех слабых связей, то есть они представляют логику «И».

Активизация даже одной тормозящей связи препятствует активизации нейрона от любых других связей.

В тех случаях, когда будет важна функция суммирования, будем отдельно обозначать такой нейрон.

Итак, простейшее поведение, наблюдаемое в так называемых безусловных рефлексах, реализуется рефлекторной цепочкой, распознающей некоторое состояние окружающей среды и активирующей один из соответствующих данному состоянию эффекторов.

Такая простейшая схема не обеспечивает оптимального поведения в сложных условиях. Например, пищевой рефлекс должен быть заторможен в случае опасности, или в случае появления незнакомого сигнала. То есть требуется дифференциация активностей в зависимости от ситуации.

Для реализации этого, в ходе эволюции появляется способность торможения рефлекторных цепочек в определенных ситуациях. Появляется, в частности, ориентировочный рефлекс, как реакция на незнакомую ситуацию, вызывающий прекращение текущей активности и выполнение дополнительного анализа окружающей обстановки. Подобным же образом развивается и механизм эмоций, как способ дифференциации активностей в разных ситуациях. Активность, легко выполняемая, например, в состоянии радости или покоя, в состоянии страха блокируется и не может быть выполнена. При активизации той или иной эмоции происходит подавление одних активностей и усиление/активизация других. Можно сказать, что эмоции обеспечивают оценку общего состояния внешней среды и являются контекстом для активностей.

На Рис.2 показано усложнение схемы связей с учетом появления эмоций.

Рис.2 Основные элементы нервной системы с учетом эмоций

В этом случае запуск какой-либо активности (например, еда, бег) происходит в результате оценки суммы возбуждающих и тормозящих сигналов от конкретного раздражителя (например, вид еды, чувство голода) и контекстных сигналов от эмоциональной подсистемы (опасность, радость, новизна/неопределенность и т.д.). Суммирование выполняется нейроном обозначенным на схеме плюсом.

Можно предположить, что необходимость еще более сложного поведения приводит к выделению одного эмоционального состояния при котором происходит торможение большинства рефлекторных активностей и остается только одна активность — поиск подходящих активностей (выбор действия). Эта эмоция, выделенная отдельно на Рис.3, и обеспечивает сознательное поведение.

Рис.  3 Дополнительная эмоция — сознание

Сознание не исключает других эмоций, оно является надстройкой над базовыми эмоциями и ему доступна информация об их активности. Эти базовые эмоции влияют на протекание различных активностей в сознании (например, способность запоминания, позитивная/негативная оценка последствий различных действий).  При определенной интенсивности, рефлексы и базовые эмоции могут перевесить вклад от сознания и активировать те или иные поведенческие активности. Однако в большинстве ситуаций эмоция сознания превалирует над рефлексами и базовыми эмоциями (такими как, например, страх, агрессия, радость).

Рассмотрим далее, как могли бы выглядеть связи нейронов на уровне сознания.

Во-первых, необходимо обеспечить торможение всех активностей, попадающих под контроль сознания.

Во-вторых, по определенному сигналу, означающему, что данная активность выбрана сознанием для реального исполнения, сигнал на исполнение должен все же поступить на эффектор и вызвать исполнение активности.

Определение какую активность реально исполнить, выполняет автоматически выполняющаяся активность «Выбор действия».

На рис.4 показан один из возможных вариантов организации связей нейронов для реализации данных функций.

Рис.  4 Формирование структуры действия

На рисунке нейроны с серым фоном обозначают структуру действия, позволяющую как непосредственно выполнить некоторую активность, так и представить ее выполнение без реального выполнения. Нейрон «А» является ссылкой на действие, обеспечивающей адресацию действий. Если одновременно с активностью нейрона «А» произойдет активизация нейрона «R», то сформируется сигнал активизации эффектора (если только другая сильная эмоция или рефлекс не затормозит сигнал от сознания) и произойдет реальное выполнение активности.

Если же, одновременно с активностью нейрона «А» произойдет активизация нейрона «R’», то одновременно сформируется и тормозящий сигнал, который заблокирует активизацию эффектора, однако внутренний сигнал цепочки R будет оставаться активным и с ним могут образовать связи другие нейроны (например, нейроны «А» других подобных структур).

С помощью соответствующих детекторов, из сигнала R, при необходимости, могут быть получены вспомогательные сигналы, сообщающие о состоянии действия – только что запустилось, находится в процессе выполнения, только что завершено (Рис.5). Если же такого не требуется, то сигнал может быть использован непосредственно. Будем называть эти выходы информационными, а выход связанный с эффектором — эффекторным.

Рис.  5 Дополнительные сигналы действия

Помимо действий, активизирующих эффекторы и оказывающих воздействие на внешнюю среду, возможны действия активизирующие только внутренние связи. То есть эффекторный выход в этом случае связывается не с эффектором, а с другими внутренними структурами. В этом случае структура действия оказывается своего рода переключателем распространения активности. При активации представления о выполнении (R’), сигнал активности поступит на информационные выходы, а при сигнале о реальном выполнении (R), дополнительно активизируется и эффекторный выход.   

В случае связи эффекторного выхода с входными цепочками от рецепторов, действие может вызвать представление некоторого набора входных сигналов, то есть образа (подробнее см. раздел 3.2 статьи). На Рис.6 показан пример подобных связей. Действия на данном рисунке представлены упрощенно с одним эффекторным и информационным выходом.

Рис. 6 Пример возможных связей между действиями

Путем образования связей, подобных показанным на Рис.6, становится возможным накопление информации о результатах запуска действий.

Например, может сохраняться информация о состоянии рецепторов в момент начала действия и в момент окончания. Ее обобщение сформирует информацию об ожидаемых результатах действия, которая может быть использована активностью «Выбор действия» для выбора оптимального действия.

4.    Заключение

Итак, мы увидели, что нейронная структура, обеспечивающая необходимые для сознательного поведения свойства, вполне может сформироваться в ходе эволюции, опираясь на известные механизмы нервной системы.

Мы увидели, что несмотря на обычное противопоставление сознания и эмоций, сознание может рассматриваться как некоторая особенная эмоция, блокирующая непосредственное выполнение большинства активностей, и автоматически выполняющая только активность по поиску оптимального действия.

В предыдущей статье не был ясен механизм доступа к информации об активности. Здесь же, путем введения дополнительного сигнала «Представление действия» (помимо сигнала «Выполнение действия»), удалось представить некоторый, относительно правдоподобный, способ доступа к метаданным об активности.


(С) Гурьев А.П., 2020

Задавать вопросы и комментировать можно здесь.