49)Моделирование механизмов человеческого мышления. Модели нейронов.
Мозг человека является сложнейшей из существующих систем переработки информации. В нем содержится около 1011 нейронов, участвующих в 1015 передающих связях, имеющих длину до одного метра и более. Каждый нейрон обладает многими качествами, общими с другими элементами тела, но его уникальной способностью является прием, обработка и передача электрохимических сигналов по нервным путям, которые образуют коммуникационную систему мозга.
При этом мозг чрезвычайно надежен: ежедневно погибает большое количество (около 105) нейронов, а мозг продолжает функционировать. Обработка больших объемов информации осуществляется мозгом очень быстро, за доли секунды, несмотря на то, что нейрон является медленно действующим элементом (его время реакции - несколько миллисекунд).
Головной мозг состоит из 3-х основных частей: ствола мозга, мозжечка и больших полушарий (
Сегодня хорошо изучена структура и функции отдельных нейронов, имеются данные об организации внутренних и внешних связей между нейронами, однако совсем мало известно об участии различных структур в процессах переработки информации.
Схематично нейрон можно изобразить следующим образом
Рис. 29.2.Биологический нейрон
Нейрон имеет тело (сому) 1, дерево входов (дендриты) 4 и выходов (аксон) 2 и его окончания. Сома имеет поперечный размер в несколько десятков микрон. Дендриты имеют длину порядка 6 мм, они сильно ветвятся, пронизывая большое пространство в окрестности нейрона. Длина аксона может достигать одного метра. Начальный сегмент аксона 3 сильно утолщен (холмик аксона). По мере удаления от клетки он постепенно сужается, и на расстоянии нескольких десятков микрон на нем появляется миэлиновая оболочка, имеющая высокое электрическое сопротивление. На соме и на дендритах располагаются окончания аксонов, идущих от других нервных клеток, называемых синапсами 5. Принятые синапсами входные сигналы подводятся к телу нейрона. Здесь они стремятся возбудить нейрон, другие - воспрепятствовать его возбуждению. Когда суммарное возбуждение в теле нейрона превышает некоторый порог, нейрон возбуждается, посылая по аксону сигнал другим нейронам. Передача информации по нейронам осуществляется с помощью импульса напряжения амплитудой 50-150 милливольт. Скорость передачи импульса нейроном колеблется при этом от 0,5 м/с (в коротких аксонах) до 100 м/с (в длинных аксонах). Нейрон может находиться в двух состояниях: возбужденном (формирование импульса) и невозбужденном (отсутствие импульса).
Рис. 29.3. Искусственный нейрон
Искусственный нейрон имитирует в первом приближении свойства биологического нейрона. На вход искусственного нейрона поступает некоторое множество сигналов, каждый из которых является выходом другого нейрона. Каждый вход умножается на соответствующий вес, аналогичный синоптической силе, и все произведения суммируются, определяя уровень активации возбуждения нейрона.
Согласно определению У.Мак-Каллока и В.Питтса (1943г.), формальный нейрон - это элемент, обладающий следующими свойствами:
- он работает по принципу «все или ничего»;
- он может находиться в одном из 2-х устойчивых состояний;
- для возбуждения нейрона необходимо возбудить некоторое количество сигналов, не зависящих от предыдущего состояния нейрона;
- имеет место
задержка прохождения сигналов в синапсах
в течение некоторого времени
;
- имеются два вида входов: возбуждающие и тормозящие;
- порог возбуждения предполагается неизменным;
- возбуждение любого тормозящего синапса предотвращает возбуждение нейрона, независимо от числа возбужденных сигналов.
Эту модель формального нейрона в 1958 году Мак-Каллок усовершенствовал. В новой модели тормозящие входы (волокна) по своей значимости эквивалентны возбуждающим. Допускаются флуктуации порога срабатывания. Но главное отличие - введение запрещающего входа, осуществляющего взаимодействие между входами нейрона.
Из-за присущих ему пороговых свойств формальный нейрон Мак-Каллока-Питтса стали называть пороговым элементом. Теория этих элементов, послужила основой для формирования новой дисциплины - пороговой логики.