Лекция 8. Индивидуальное мышление

Живое существо может и должно рассматриваться как система. Эта система тесно взаимодействует с окружающей средой и вместе с этой средой образует контур с обратной связью. Окружающая среда действует на живое существо (если живое существо сложное, обладающее нейронами – на его датчики), внутри живого существа сигналы преобразуются, из них формируются управляющие сигналы на исполнительные механизмы (ИМ) – и при помощи ИМ живое существо действует на окружающую среду, замыкая контур. Например, живое существо почувствовало, что идёт дождь, поскольку имеет датчики влажности на своей поверхности, оценивает эту ситуацию и прячется от дождя в укрытие. Или принимает какой-то другой способ реагирования. Каждый из нас видел этот пример наглядно. Дождевые черви в городе при дожде выползают наружу из земли и массово гибнут, не умея приспособиться к городской асфальтированной поверхности.
Обратная связь, используемая живым существом для обеспечения своего стабильного существования – отрицательная. Она стремится устранить отклонения состояния живого существа от оптимального. А вот когда мы рассмотрим как систему популяцию живых существ и их размножение, то увидим, что это система с положительной обратной связью. Основной параметр популяции – численность – стремится увеличиваться в геометрической прогрессии. Если бы не внешняя среда, устраняющая излишки населения, потомство какой-нибудь мухи за короткий срок заполнило бы всю Землю (известный, набивший оскомину пример. Не знаю, как часто муха откладывает яйца. Если кто знает, и знает, сколько яиц за раз откладывает муха, то он сам может посчитать динамику роста мушиного населения).
Это было как бы продолжение предыдущей главы, иллюстрация обратных связей и их наличия в живой природе. А теперь перейдём к описанию живых существ с нейронами. По сравнению с одноклеточными в таких живых существах произошёл качественный скачок.  Вот к нему и перейдём. Как вы помните, МЫШЛЕНИЕ  - ЭТО ИЗМЕНЕНИЕ АЛГОРИТМА РЕАГИРОВАНИЯ НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ. Когда мы говорили об одноклеточных, то выяснили, что в этом случае мыслит сама природа путём изменчивости (мутаций), наследственности и отбора. Это очень длительный процесс, и на эволюционном дереве, которое часто рисуют биологи, он занимает много сотен миллионов лет. А вот после появления нейронов скорость изменений резко увеличивается. В дальнейшем мы будем говорить о связи развития мышления и скорости образования видов, а пока выясним, что вызвало ускорение развития мышления – ускорение создания новых алгоритмов поведения.
Мы видели на примере инфузории, что инфузория обладает памятью. Например,  в капилляре если она начала поворачивать, то повторно повернёт при необходимости уже за гораздо меньшее время. Память инфузории – концентрация вещества, создающего её гибкость. Пока это вещество не выделилось наружу, инфузория помнит способ разворота и быстро его применяет. Поскольку я говорю о мышлении и памяти с технических позиций, слова «память», «помнит» употребляю без кавычек. Это именно память, инфузория именно помнит. Посмотрев на эти процессы без привычных нам антропоморфистских шор, вы согласитесь со мной. Память – это сохранение информации и больше ничего, а информация в инфузории сохраняется через наличие определённого вещества в достаточной концентрации.
Соответственно, если бы удалось найти вещество, которое изменяло бы свою концентрацию на долгое время, сравнимое с длительностью жизни, и влияло бы на её поведение, можно было бы говорить об обучаемости инфузорий.
Именно такое по сути явление имеет место в многоклеточных существах с нейронами. В нейронах происходят необратимые изменения, то есть изменения, сохраняющиеся на весь или почти на весь срок их жизни. Пока я  писал предыдущие лекции, Виктор Ефременко ( http://www.proza.ru/avtor/indeks07 ) указал мне на биолога А.В.Маркова, написавшего книгу («Обезьяны.Нейроны.Душа»), посвящённую вопросам, очень близким тем, которые собираюсь рассматривать я. Поэтому теперь я по возможности буду использовать книгу Маркова. Правда, скачанная из интернета его книга содержит явные выпадения части текста. Но то, что осталось (надеюсь, подавляющее большинство информации) связности не потеряло и представляется неискажённым. Страницы в книге не проставлены, и при ссылках буду указывать только главы, из которых взяты цитаты.
Вот что говорится о нейронах, синапсах и медиаторах (активных веществах в синапсах) в книге А.В.Маркова:

«Нейромедиаторы и синапсы делятся на возбуждающие и тормозящие (было бы легче во всем разобраться, если бы каждый синапс работал только на одном нейромедиаторе. В действительности это не всегда так, но все же, как правило, в каждом синапсе есть "основной" нейромедиатор, который является или возбуждающим, или тормозящим  ). Когда нейрон получает возбуждающий сигнал, это повышает вероятность того, что нейрон возбудится, то есть сгенерирует электрический нервный импульс, который побежит по аксону до самых его кончиков и вызовет выброс нейромедиатора. Тормозящие сигналы, напротив, снижают вероятность этого события.
У одного нейрона могут быть тысячи "пунктов приема информации" – постсинаптических мембран, не говоря уж о внесинаптических рецепторах. Таким образом, нейрон собирает большое количество данных из окружающего мира. Речь идет, конечно, о мире, окружающем нервную клетку, а не вас. Эти данные имеют вид сложного аккорда из множества возбуждающих и тормозящих сигналов.
На основе собранных данных нейрон делает одно из двух: либо возбуждается, либо нет. Нейрон "рассуждает" строго дискретно, категориально. Он интегрирует обширную информацию и принимает на ее основе одно из двух возможных решений. Все переливы и полутона входящих сигналов превращаются в черное или белое, в "да" или "нет". Если общая сумма возбуждающих сигналов превосходит общую сумму тормозящих сигналов на некую вполне определенную величину, нейрон возбуждается – производит нервный импульс (его еще называют потенциалом действия), который бежит по аксону прочь от тела нейрона, добегает до аксонных окончаний и заставляет их выбросить порцию нейромедиатора. Она в свою очередь будет воспринята каким то другим нейроном как сигнал – либо тормозящий, либо возбуждающий.
Сила переданного сигнала, то есть размер порции нейромедиатора, выброшенного нервным окончанием, не зависит от силы потенциала действия. Последнюю можно, как в компьютере, считать равной 0 или 1 – все или ничего. Размер выброшенной порции медиатора зависит лишь от состояния нервного окончания в данный момент. Чем определяется это состояние, будет сказано ниже. Пока лишь запомним, что порция может быть разной, а от потенциала действия зависит лишь, будет она выброшена или нет.
Механизм возбуждения нейрона основан на перекачке заряженных частиц (ионов) из цитоплазмы клетки во внешнюю среду или обратно. В спокойном состоянии мембрана нейрона поляризована: у ее внутренней стороны скапливаются отрицательно заряженные частицы, у наружной преобладают заряженные положительно, в том числе ионы натрия Na+. Если нейрон "решает" возбудиться, в его мембране открываются особые ворота – натриевые каналы, по которым ионы натрия устремляются внутрь клетки, притягиваемые скопившимися там отрицательными зарядами. Это приводит к деполяризации – выравниванию электрических потенциалов по обе стороны мембраны.
Деполяризация "заразна": когда один участок мембраны деполяризуется, это стимулирует деполяризацию соседних участков. В результате волна деполяризации быстро бежит по аксону. Это, собственно, и есть потенциал действия, он же нервный импульс.
После каждого импульса нейрону нужно некоторое время, чтобы перекачать ионы натрия из клетки обратно на наружную сторону мембраны и тем самым снова привести мембрану в "рабочее", то есть поляризованное состояние. Пока это не сделано, нейрон не может сгенерировать новый нервный импульс.
На самом деле, конечно, все гораздо сложнее (это моя "любимая" фраза. Ее можно вставлять после почти каждого высказывания, относящегося к сфере естественных наук, и это будет правдой. Конечно, жизнь   штука очень сложная, поэтому любой биологический вывод, теория или модель всегда упрощает реальность. В устах опытных демагогов фразы типа "вы все упрощаете", "в действительности все сложнее" (вариант – "не занимайтесь редукционизмом!") иногда становятся чем то вроде универсального оружия против любых научных идей. Защититься от таких умников помогает следующая байка, восходящая к одному из рассказов Борхеса (Фрит, 2010). Говорят, что в некоей стране географы приобрели настолько большое влияние, что им предоставили возможность сделать самую подробную в мире географическую карту. По размеру она была равна всей стране и совпадала с ней во всех деталях. Пользы от этой карты не было никакой  ). Описанная картина так сильно упрощена, что автор даже опасается, как бы специалисты нейробиологи не обвинили его в дезинформировании населения. Но это, напомню, не учебник, а для понимания того, о чем пойдет речь в этой и последующих главах, сказанного достаточно. Более полную и подробную информацию о работе нейронов читатель может без труда найти в соответствующих учебниках, справочниках или в интернете. Достаточно сделать поиск по словам "нейрон", "синапс" и "потенциал действия".
Итак, нейрон собирает большое количество разнородной информации и обобщает (интегрирует) ее, сводя все разнообразие полученных сведений к выбору одного из двух решений: "выстрелить" потенциалом действия, передав тем самым обобщенный итог своих раздумий другим нейронам, или не делать этого. Отсутствие сигнала тоже в некотором смысле является сигналом: оно сигнализирует о том, что данный нейрон, обобщив все доступные ему данные, принял решение пока не возбуждаться.
Свойственный нейронам максимализм (принцип "все или ничего") не абсолютен. Это справедливо только для отдельного потенциала действия. Но нейроны работают в реальном времени, и когда они получают очень много возбуждающих сигналов, они разражаются быстрой серией потенциалов действия, следующих один за другим, – строчат как пулемет (едва успевая перед каждым новым "выстрелом" перекачать ионы натрия из клетки наружу). Если возбуждающих сигналов становится меньше, частота импульсов соответственно снижается. Таким образом, нейрон может передавать и количественную информацию, которая кодируется частотой импульсов.
Сегодня, когда каждый человек хоть немного, но знаком с принципами работы компьютеров, никому из прочитавших это описание, наверное, не нужно долго объяснять, что нейрон – превосходный элементарный блок для сборки вычислительных устройств любой степени сложности. Даже таких сложных, как человеческий разум.» (глава «Универсальный аппарат для принятия решений»)
Вот такая большая цитата.  Я её дал, чтобы о вещах, которые я собираюсь обсуждать, сказал биолог. Я биологической терминологией не владею, так говорить не могу и не хочу. Я буду говорить как техник. Давно уже я заметил, что биологи и техники говорят на разных языках. Биологам интересны тонкости процессов, протекающих в клетках – состав медиаторов, происходящие в синапсах химические реакции, механизмы передачи возбуждения по нервным волокнам и т.д. Это важно и нужно, но за деревьями биологи перестают видеть лес. Они не имеют общих, основополагающих сведений об информационных системых, не знают общей теории обработки информации. Вообще-то, насколько мне известно, обобщить все сведения, посвящённые обработке информации, никто не брался. Существует теория автоматического управления, теория принятия статистических решений, в математике – хитрые и абстрактные теории вычислений и алгоритмов (я их не знаю, но, похоже, они тоже относятся к обработке информации). Существуют понятия об архитектуре вычислительных машин, множество стандартных технических решений для реализации информационных систем «в железе». Не зная основ, биологи не в состоянии понять собственные достижения, сделать выводы. Вот вам пример: последний абзац в цитате – абсолютно неверен. Нейрон – НИКУДА НЕ ГОДНЫЙ элементарный блок для сборки вычислительных устройств. Нейрон – это в радиотехнической интерпретации ждущий мультивибратор. На ждущих мультивибраторах никто вычислительных систем не делает. Почему – объясню далее, в следующих лекциях.
А теперь перейдём к основному содержанию лекции. Дело в том, что проводимость синапса может изменяться. А.В.Марков пишет об этом, но не указывает общих философских причин и свойств этих изменений.
А между тем, вполне очевидно, что проводимость синапса увеличивается, если через него прошёл возбуждающий нейрон сигнал. Об этом я читал в нескольких источниках, но и без этого понятно, что иначе быть не может. Ведь нейроны служат для передачи сигнала от датчиков к ИМ. Если бы нейрон был устроен так, что проводимость синапса уменьшалась при срабатывании, то живое существо, под влиянием наследственности или случайности выбравшее правильный, адекватный способ реагирования на  окружающую среду (а способ реагирования – выбор одного из путей от датчиков к ИМ), в следующий раз не могло бы им воспользоваться – этот путь блокировался бы уменьшившимися проводимостями синапсов. Эволюция не сохранила бы живые существа со столь противоестественным способом изменять свои алгоритмы поведения. А если проводимость синапса увеличивается от употребления – то живое существо, выбравшее такой путь реагирования, выживет, и в следующий раз в похожей ситуации будет снова реагировать так же, и снова выживет. Те же, кто выбрал неправильный путь реагирования, отсеются эволюцией.
У меня есть ксерокопия книги, посвящённой нейронным сетям. Её подарил мне товарищ больше 20 лет назад, когда я только начал заниматься вопросами мышления. Первых 30 страниц в копии нет, как и последних. Поэтому ни авторов книги, ни её названия определить не удаётся. По работам в списке литературы можно определить, что эта книга школы Н.Амосова и издана не ранее 1989 года. Я пытался выяснить, что это за книга, через интеренет – не удалось. Практически каждая цитата из этой книги, если её набрать в поисковике, находится, но, как правило, в каких-то рефератах и без указания, откуда она взята. Однажды я обнаружил целый абзац из этой книги дословно в интервью, якобы взятом какими-то двумя дамами у некоего А.Жданова.
Я все первоначальные сведения о нейронах и их взаимодействии почерпнул из этой книги. И вот что там написано (эта цитата тоже ищется в интернете, и тоже без автора):
«Обучающие правила определяют, каким образом изменяются связи [между нейронами – B.P.] в ответ на входное воздействие. Многие из них являются развитием высказанной Д.О.Хеббом идеи о том, что обучение основано на увеличении силы связи (синаптического веса) между одновременно активными нейронами. Таким образом, часто используемые в сети связи усиливаются, что объясняет феномен обучения путём повторения и привыкания».
Это то же самое, что я сказал, только другими словами. Проводимость синапса, синаптический вес – это описание словами того факта, что в случае обучения в дальнейшем через данный синапс нейрон будет возбуждаться легче, чем до обучения (ему понадобится меньше дополнительных сигналов, например). Вводить количественные описания и модели, как это делается в указанной Книге,  я не хочу – сейчас это ни к чему.
В итоге выкладываю основные тезисы, для которых и была написана эта лекция:
1. Индивидуальное мышление связано с необратимыми изменениями в организме.
2. Эти изменения происходят в синапсах.
Как происходит процесс мышления, какими вычислительными свойствами обладают нейроны, как мышление эволюционировало и пришло к мозгу – об этом читайте в следующих лекциях.