Информатика. Теория и практика_Острейковский В.А_2008

ским кодом, многое в его поведении и судьбе зависит от среды, в которой он растет, воспитывается и живет. А ее воссоздать невозможно. Так что полностью повторить Эйнштейна или Чехова нереально даже теоретически, но создать людей со способностями этих личностей представляется возможным. В большинстве развитых стран клонирование человека или запрещено, или на него введен временный мораторий. В 2001 г. такой мораторий введен на пять лет и в России.

Нервная система и память. Память — это способность сохранять и воспроизводить следы полученных впечатлений (зрительных, слуховых, обонятельных, осязательных, вкусовых), т. е. сохранять и воспроизводить некую информацию. Именно благодаря памяти человек живет не только в настоящем, но и в прошлом, и в будущем; она дает возможность планировать поведение в соответствии с заложенными инстинктами, опытом, знаниями и окружающей обстановкой, т. е. принимать решения. Память нужна человеку в течение всей его жизни.

Необходимо отметить коренное отличие генетической информации от индивидуальной памяти. Оно состоит в том, что генетическая информация передается по наследству от организма к организму, тогда как индивидуальная память не наследуется, а приобретается человеком в процессе обучения и воспитания.

Источником возбуждения для нас является окружающий мир, его предметы и события, а каждое возбуждение оставляет свой след в нервной системе. Нервная система состоит из особых клеток — нейронов. Каждый нейрон имеет тело и отростки — несколько коротких (дендриты) и один длинный (аксон). Нейроны в зависимости от формы бывают различных типов — пирамидальные, звездчатые, веретенные. С помощью дендритов и аксонов нейроны образуют общую нейронную сеть, способную воспринимать и передавать информацию, например сигналы из внешнего мира. Передаваемые сообщения — сигналы — представляют собой последовательные импульсы, проходящие по аксонам и дендритам центральной нервной системы от одного нейрона к другому.

Какова же скорость передачи импульсов? Она различна для разных нервов: в двигательных нервах у человека она составляет 20—60 м/с, а болевое ощущение передается со скоростью

41

всего 1—30 м/с. В седалищном нерве лягушки эта скорость составляет 27 м/с. Максимальная частота передачи импульсов по нерву составляет 500 импульсов в секунду. Если сравнивать эту скорость со скоростью передачи сигналов в современном компьютере, близкой к скорости света (300 000 км/с), то она кажется ничтожно малой.

Область контакта между аксоном и нейроном, которому адресуются импульсы, называется синапсом. Число синапсов у различных нейронов различно. Синапс обладает свойством одностороннего проведения импульсов, что обеспечивает определенный порядок распространения возбуждения в нервной системе. Еще одно важнейшее свойство синапса — его пороговый характер. Синапс не реагирует на одиночные возбуждения. Только после накопления возбуждений выше определенного порога он передает их дальше по цепи нейронов, а через некоторый промежуток времени осуществляет синаптическую задержку импульса. Сами импульсы имеют биоэлектрическую природу, а пороговый характер синапсов и синаптическая задержка — биохимическую природу. В нервной системе происходят два противоположных активных процесса — возбуждение и торможение, являющиеся основными законами ее действия на всех уровнях. При этом возбуждение создает основной тон, а торможение его корректирует. Между возбуждением и торможением происходит борьба, исход которой определяет судьбу каждого сообщения: будет оно передано дальше или нет.

Общее число нейронов в мозге человека составляет гигантскую цифру: десятки миллиардов, а связей между ними — синапсов — на два порядка больше. Все вместе они составляют нейронную сеть.

Нейроны получают раздражение от рецепторов, воспринимающих внешние раздражения — зрительные, слуховые, обонятельные и осязательные. Рецепторы (от лат. receptor — принимающий) — это окончания чувствительных нервных волокон или специализированные клетки (сетчатки глаза, внутреннего уха и др.). Внешние раздражения преобразуются рецепторами в нервное возбуждение, передаваемое в центральную нервную систему.

Контроль же за собственно телом осуществляют проприорецепторы. Они находятся во всех связках, суставах, мышцах и

42

сухожилиях. Благодаря сигналам, передаваемым центральной нервной системе, мы можем в любой момент ощущать свое тело и контролировать действие двигательных органов. Мозг, получая информацию от рецепторов, посылает через нервную систему команды мышцам. Они при этом сокращаются, вызывая движение рук, ног, шеи или глаз. Это прямые связи. Мышцы с помощью рецепторов сообщают мозгу о своем положении. Это обратная связь, т. е. сообщение о результатах действия.

Реакция организма, осуществляемая по командам центральной нервной системы в ответ на сигналы от рецепторов, — это рефлекс. Вся деятельность организма является комбинацией различных рефлексов. Они делятся на безусловные (врожденные, заложенные генетически) и условные (вырабатываемые в течение жизни). Пример безусловного рефлекса — реакция на боль, например от прикосновения к горячему. При этом организм принимает решение автоматически, без участия сознания, с помощью спинного мозга. Сигнал от рецептора поступает, минуя головной мозг, непосредственно в спинной мозг, который немедленно посылает команду мышцам руки или ноги отдернуть руку или ногу от горячего предмета. Так как сигнал от рецептора к мышцам проходит по короткой цепи, то и выполнение команды происходит с максимально возможной скоростью. Спинной мозг управляет и такими сложными безусловными рефлексами, как дыхание, биение сердца, координация движений при ходьбе, деятельность органов пищеварения. Обо всех этих процессах мы не думаем, в течение жизни они совершаются автоматически, помимо нашего сознания. Так, например, при изменении нагрузки меняется пульс — при ходьбе, беге, поднятии тяжестей. Все эти безусловные рефлексы являются формой памяти, заложенной в нас генетически, при рождении.

У животных и человека существуют еще инстинкты (от лат. instinctus — побуждение) — сложные безусловные рефлексы (пищевой, оборонительный, половой и др.). Они представляют собой совокупность сложных врожденных реакций (актов поведения) организма, возникающих в ответ на внешние или внутренние раздражения. Инстинкты человека, в отличие от животных, контролируются его сознанием.

В течение жизни мы приобретаем множество условных рефлексов — еще один вид памяти, представляющий собой

43

реакцию на определенные повторяющиеся события или время. Так, например, чувство голода может возникать у нас во время работы при приближении обеденного перерыва.

Безусловный рефлекс — реакция на боль, возникшая у ребенка при первом прикосновении, например, к раскаленной печке, — превращается затем в условный рефлекс. Больше ребенок никогда к раскаленной печке не прикоснется. Условный рефлекс — это своеобразная память, которую живой организм приобретает и накапливает в течение своей жизни.

Научившийся ходить, плавать, ездить на велосипеде, играть на музыкальных инструментах человек сохраняет это умение на всю жизнь. А как мышечный аппарат выполняет эти навыки? Исследованием этих механизмов занимается наука áèî-

механика, èëè физиология активности. Создателем биомеханики является российский ученый, нейро- и психофизиолог Н.А. Бернштейн (1896—1966).

Биомеханика изучает механические свойства живых тканей, органов и организма в целом, а также происхождение в них механического явления (при движениях, дыхании и т. д.). Ее еще называют наукой о рычагах человеческого тела. Н.А. Бернштейну удалось установить, что в сложнейшем «концерте» — управлении множеством мышц при выполнении самых различ- ных действий (например, при игре на рояле) — участвуют все уровни головного мозга.

Биомеханика имеет большое значение при изучении трудовой, музыкальной, спортивной деятельности. Она помогает строить роботов, копирующих движения человека и животных.

Профессиональная, оперативная и долговременная память. У взрослых людей появляется еще и профессиональная память. Особенно хорошо это видно на примере врачей, помнящих невероятный объем информации: сотни и тысячи симптомов болезней, названия лекарств, имена пациентов; на примере музыкантов, помнящих огромное число музыкальных произведений, и шахматистов, помнящих множество шахматных дебютов, целых партий и способных играть сеансы одновременной игры «вслепую» с большим числом партнеров. Правда, у каждого профессионала вырабатываются свои приемы запоминания, связанные с хорошими знаниями и интересом к своей деятельности.

44

Память связана с высшей нервной деятельностью человека. Она существует двух родов: кратковременная (или оперативная) и долговременная.

Оперативная память играет вспомогательную роль и используется, например, для арифметических расчетов. При умножении чисел она дает возможность запоминать промежуточ- ные результаты («два пишем, четыре в уме»). Но после выполнения всей операции промежуточные результаты становятся ненужными и только «засоряют» память, поэтому они быстро забываются. Глубину кратковременной памяти психологи измеряют количеством цифр или слогов, которые человек может запомнить с первого раза. При этом ему предлагают запомнить их в полном беспорядке, без какого-либо смысла. Оказалось, что емкость оперативной памяти составляет всего семь-восемь слогов и у каждого человека эта емкость постоянна. При изуче- нии оперативной (механической) памяти было замечено, что луч- ше всего запоминаются первые и последние цифры или слоги.

Долговременная память работает совсем не так, как оперативная, поскольку многие вещи нам нужно помнить практи- чески всю жизнь. Например, таблицу умножения мы заучиваем в первом классе школы и помним ее в течение всей жизни, в отличие от результатов каких-то текущих арифметических вычислений. Таким же образом мы запоминаем алфавит родного или иностранного языка, грамматические правила и великое множество самой различной информации.

Способность к обучению и запоминанию новой информации на многие десятки лет особенно сильно проявляется у детей в возрасте до трех лет. Именно в этот период ребенок полу- чает не менее половины информации, которую он запоминает за всю дальнейшую жизнь. Достаточно посмотреть, как быстро (за первые полтора-два года) ребенок начинает говорить на родном языке. Да и изучение иностранных языков (как и любое другое обучение) дается детям гораздо легче, чем взрослым.

Ослабление памяти в старости начинается с ослабления оперативной памяти — именно так проявляется склероз. Сохранению долговременной памяти в пожилом возрасте способствует интеллектуальная работа, в особенности при занятии любимым делом. Долговременная память у пожилых людей сохраняется гораздо дольше, чем оперативная.

45

В чем же состоит коренное отличие долговременной памяти от оперативной? Оперативная память в основном механиче- ская. Правда, запоминание можно сделать смысловым. Простейшим приемом является так называемый «узелок на память», т. е. установление некоторых смысловых связей.

Определенная часть запомненной информации отбирается и передается на хранение в долговременную память.

Предметы и понятия хранятся в нашей памяти в виде образов, имеющих расплывчатый, обобщенный характер. Например, образ стола, стула или шкафа не имеет каких-то конкретных деталей, а носит схематический, условный характер, при этом обладая всеми основными признаками предмета. То же касается и природных явлений, например дождя, снега, шторма на море. В памяти человека хранится огромное количество таких образов и понятий.

Какое же количество информации может запомнить человек за всю жизнь? Он способен обработать около 20 бит информации в секунду, т. е. оценить около миллиона различных возможностей за ту же секунду. В день за 14 часов можно обработать 18 млрд бит. Для хранения такой информации достаточно одной тысячной части всех нервных клеток мозга. Человек способен вспоминать нужную информацию за десятые доли секунды, для чего требуется скорость поиска около 50 млрд бит

âсекунду. Обработка такого гигантского количества информации обеспечивается параллельной работой нервных структур,

âотличие от компьютера, где все операции происходят только

последовательно.

Общеизвестна догма: нервные клетки не восстанавливаются. Недавние исследования ученых показали, что это неверно. В течение жизни человека в мозговой ткани происходит образование новых нейронов. Предполагают, что этот процесс связан с действием механизма долговременной памяти. И это дает врачам надежду на возможность лечения болезни Альцгеймера — старческого слабоумия, угрожающего каждому из нас в возрасте 85 лет и старше.

Искусственный интеллект. Одно из самых загадочных явлений — распознавание человеком образов. Ведь мы можем по- чти мгновенно узнать в толпе знакомого человека или его голос по телефону.

46

Человек распознает образы в течение всей жизни: он сравнивает увиденные и услышанные образы с хранящимися в его памяти и опознает знакомые. В соответствии с этим он принимает решения о своих действиях. Этот процесс представляет собой одну из самых сложных загадок человеческого мозга, на исследование которой уже потрачены многие годы и значи- тельные научные силы. Знать механизм распознавания образов очень важно для работ по созданию искусственного интеллекта и автономных роботов.

В начале 1950-х гг. Алан Тьюринг (1912—1954) сформулировал такой тест: компьютер можно считать разумным, если он способен заставить нас при общении с ним поверить, что мы имеем дело не с машиной, а с человеком.

По мере продвижения работ в области искусственного интеллекта появляются новые его определения. Одно из самых полных принадлежит крупнейшему ученому в этой области Марвину Мински (США): искусственный интеллект — «это наука по созданию машин, которые могут делать то, что им позволяет делать уровень человеческого интеллекта».

Начало работ по созданию машин, обладающих искусственным интеллектом, стимулировал Норберт Винер (1894—1964) своей знаменитой книгой «Кибернетика, или Управление и связь в животном и машине», появившейся в 1948 г. Он выдвинул принцип обратной связи, заключающийся в использовании информации, поступающей из окружающей среды, для изменения поведения машины. В своей книге Винер доказывал, что благодаря обратной связи все живое приспосабливается к окружающей среде и добивается своей цели.

В ходе исследований Н. Винер увидел глубокую аналогию между поведением машин и живых организмов в их приспособлении к изменениям в окружающей среде с помощью универсального механизма обратной связи — общего для техники

èживой природы.

Âтехнике примеров действия обратной связи множество, например действия водителя при управлении автомобилем.

Водитель держит руки на руле и следит за дорогой. Как только зрение подсказывает ему, что машина отклоняется от прямого пути, он корректирует ее движение, поворачивая руль на больший или меньший угол (в зависимости от величины отклоне-

47

ния от прямого пути) до тех пор, пока не восстановится прямолинейное движение. И такой процесс продолжается в течение всего времени движения. По такому же принципу в технике работает множество автоматических регуляторов температуры, давления, влажности и других параметров.

Н. Винер обратил внимание на важнейшую роль обратной связи для поддержания у живых организмов гомеостаза — механизма поддержания устойчивости основных физиологиче- ских функций организма.

Между нервной системой и вычислительной машиной Н. Винер установил следующую аналогию: важнейшей функцией обеих является память, «то есть способность сохранять результаты прежних действий для использования в будущем». Он отметил, что существует память, необходимая для выполнения текущих процессов, например умножения. При этом промежуточные результаты не имеют ценности после завершения процесса и должны уничтожаться. Такая память должна позволять быструю запись, считывание и стирание. Но существует и память, предназначенная служить частью архива (или постоянной записи) машины или мозга и составлять основу будущего поведения машины.

В то же время Н. Винер увидел различия между поведением машины и мозга. Машина предназначена для выполнения многих последовательных программ, ее память может быть очищена при переходе от одной программы к другой, а мозг в нормальных условиях никогда не очищается от своих прошлых записей. Поэтому мозг не является полным подобием вычислительной машины.

Говоря о памяти, Н. Винер отмечает, что «хороший способ построить кратковременную память — это заставить последовательность импульсов циркулировать по замкнутой цепи до тех пор, пока эта цепь не будет очищена внешним воздействием». Весьма правдоподобно, что это и происходит в нашем мозгу при хранении импульсов, относящихся к так называемому мнимому настоящему. Этот способ был воспроизведен в вы- числительных машинах.

Таким образом, Винер указал способ построения схем оперативной (или — до введенного им термина — кратковременной) памяти с помощью обратной связи.

48

Приведем одно важное для понимания информационных процессов высказывание Н. Винера из его книги «Кибернетика и общество»: «Информация — это обозначение содержания, полученного из внешнего мира в процессе нашего приспособления к нему и приспосабливания к нему наших чувств. Процесс получения и использования информации является процессом нашего приспособления к случайностям внешней среды и нашей жизнедеятельности в этой среде… сообщение и управление точно так же связаны с самой сущностью человеческого существования, как и с жизнью человека в обществе».

Здесь уместно напомнить определение понятия «жизнь», которое обычно дается в современных энциклопедиях: «Жизнь — одна из форм существования материи. Живые организмы отли- чаются от неживых объектов обменом веществ, раздражимостью, способностью к росту, развитию, активной регуляции своего состава и функций к различным формам движения, приспособляемостью к среде».

Современные роботы уже могут приспосабливаться к изменениям среды обитания и даже способны производить себе подобных. Пока от живых организмов их отделяет отсутствие обмена веществ со средой обитания.

В 1943 г. нейрофизиолог Уоррен Маккаллох и математик Уолтер Питтс разработали теорию деятельности головного мозга. Основываясь на результатах изучения нейронов, полученных Маккаллохом, они предложили гипотезу: нейроны можно упрощенно рассматривать как устройства, работающие в двоич- ном коде. На основе этой гипотезы они построили схему сети электронных «нейронов», способную выполнять любые числовые и логические операции. Конечную цель своих исследований Маккаллох и Питтс видели в создании «адаптивной сети», «самоорганизующейся системы» или «обучающейся машины». Эти устройства должны уметь следить за окружающей средой и с помощью обратной связи изменять свое поведение.

Исследования в области искусственного интеллекта идут уже более полувека. За эти годы пройден огромный путь, достигнуты значительные результаты в отдельных областях, например в области стратегических игр.

Как уже говорилось, человек во время всей своей жизни должен принимать решения в соответствии с изменениями

49

в окружающей среде. То же самое относится и к играм. При этом происходит распознавание образов, характеризующих окружающую среду. Затем производится их анализ и классификация. Для этого мозг сравнивает новые образы с теми, которые известны человеку из прошлого и хранятся в его долговременной памяти. Так и происходит распознавание. Но механизм распознавания является одной из самых сложных задач в области искусственного интеллекта. При решении подобных задач важно изучение механизма извлечения знаний из долговременной памяти. У человека этот процесс происходит с помощью ассоциаций. Исследователи искусственного интеллекта пытаются создать нечто похожее. При решении задач искусственного интеллекта приходится перебирать огромное число вариантов. При этом возможны три типа действий: случайный поиск, полный перебор и так называемый эвристический поиск.

Любое действие по поиску знаний заставляет перебирать дерево решений. Его называют так потому, что с каждым шагом поиск «ветвится» на новые варианты. При случайном поиске никакого метода поиска нет, все делается по принципу «если повезет». Но вероятность такого везения ничтожно мала, поэтому эффективность этого пути близка к нулю.

Полный перебор по заранее намеченному плану, безусловно, ведет к цели, но число вариантов может быть столь огромно, что время поиска может приближаться к бесконечности. Ярким примером такого перебора является игра в шахматы. Число возможных вариантов позиций в ней так велико, что для их полного перебора не хватит не только мощности самых современных суперкомпьютеров, но и целой жизни. Поэтому шахматисты ограничиваются перебором вариантов только на несколько ходов вперед. Чем глубже перебор, тем лучше играет шахматист. Ведь при этом он перебирает в памяти не только возможные варианты, но и множество уже встречавшихся комбинаций в партиях других шахматистов, известных данному игроку.

Но не только в этом заключается сила игрока. Каждый из шахматистов вырабатывает свои приемы, ведущие к правильной оценке каждой позиции и партии в целом. Творческий подход моделируется при эвристическом поиске.

Ïðè эвристическом поиске в каждой его точке применяются эвристики — правила, облегчающие результативность каж-

50