Основные понятия систем искусственного иттеллекта

1.1. Мозг как физическая и психологическая основа естественного интеллекта

Интеллект – это набор умений и навыков, которые позволяют людям решать задачи в условиях ограниченности ресурсов. К этим умениям и навыкам относятся:

–способность к обучению,

–абстрактное мышление,

–умение планировать

–а также воображение и творчество.

В конце 1930-х−начале 1950-х гг. проводились исследования в области нейрофизиологии, которые показали, что мозг можно рассматривать как электрическую сеть нейронов, при этом правомерна схема реального нейрона как структурной единицы центральной нервной системы.

Каждая нервная клетка состоит из трех частей: из тела, нескольких ветвистых отростков (дендритов) и протяженного нервного волокна (аксона), длина которого может составлять от нескольких миллиметров до десятков сантиметров, рис.1.1.

Рис.1.1. Упрощенная схема передачи сигнала в биологических нейронах

Нервные клетки взаимодействуют между собой в местах стыка (синапсах), где встречаются аксон пресинаптического нейрона и дендрит постсинаптического нейрона. Дендриты являются входными каналами для нервных импульсов, поступающих через аксоны от других нейронов. Эти импульсы могут либо возбуждать (увеличивать), либо подавлять (уменьшать) мембранный потенциал тела нейрона, который со временем возвращается к своему нормальному значению. Если количество возбуждающих импульсов превышает пороговое значение, то нейрон сам генерирует импульс.

Биологический нейрон в ответ на возбуждение может генерировать нервный импульс, распространяющийся вдоль аксона. Его форма и скорость распространения не зависят от того, как и из-за чего он возник. Доходя до конца аксона, он вызывает выделение веществ, называемых нейромедиаторами. Воздействуя на дендриты других нейронов, они могут в свою очередь вызвать появление в них нервных импульсов. Другими словами, на этом уровне развития когнитивных наук нейрон трактовался как управляемый логический элемент. На сегодняшний день эта модель выглядит крайне упрощенной. Нейрофизиологи выявили множество механизмов управления нейроном, и они действуют в сложной иерархической взаимосвязи. Взаимодействующие между собой посредством передачи возбуждений нейроны формируют нейронные сети. К настоящему времени уже есть основания рассматривать каждый нейрон как отдельный компьютер или даже как компьютерную сеть. Процессы обработки информации в мозгу человека не совпадают с аналогичными процессами в компьютере. Человек получает информацию из внешнего мира от своих пяти органов чувств, которая помещается в буфер кратковременной памяти для анализа, рис.1.2.

В другой области памяти (долговременной) хранятся символы и смысловые связи между ними, которые используются для объяснения новой информации, поступающей из кратковременной памяти. Важно подчеркнуть, что в долговременной памяти хранятся не столько факты и данные, сколько объекты и связи между ними т.е. символьные образы. При этом доступ к информации в долговременной памяти осуществляется очень эффективно: практически любой элемент данных может быть извлечен в течение цикла обращения и затем преобразован.

С точки зрения системного подхода именно кора головного мозга представляет собою основное аппаратное средство переработки информации, аналогом которого в компьютере является сочетание центрального процессора и памяти. В последние годы выявлены также другие механизмы регулирования информационных потоков в мозге, не имеющие аналогии в современном компьютере – в том числе механизмы параллельной фильтрации всех сигналов, идущих в мозг, с целью оценки их относительной важности. Очевидно, что это существенно экономит информационные резервы мозга.

Фундаментальным достижением психологии XX века явилось открытие функциональной асимметрии полушарий головного мозга: установлено, что каждое полушарие имеет свою специализацию по выполняемым функциям. Это позволяет рассматривать мир с двух различных точек зрения: с формально-логической (левое полушарие) и пространственно-образной (правое полушарие). Эти позиции– и создает основу для творческой активности.

Человек рождается, имея готовыми к действию только две формы психики − сенсорику (систему органов чувств) и моторику (систему управления двигательной активностью), остальные приобретает в ходе индивидуального развития. При этом все органы чувств готовы полностью, а моторика развивается посредством взаимодействия генетически заданных моторных актов и недифференцированных движений на базе генетически заданных механизмов памяти. Механизмы классификации и структурирования у человека базируются на той картине мира, которая существует у него на текущий момент развития, т.е. новую информацию он воспринимает соответственно тем категориям образов, которые постепенно устанавливаются после рождения. В динамике развития психики человека вначале формируется образная система, а потом понятийно-логическая. Психология достоверно показала, что при восприятии новой информации у человека сначала возникает единый образ – гештальт, а затем происходит его детализация. Базой служат врожденные общие алгоритмы, относящиеся ко всем модальностям и основанные на принципах равновесия и простоты (например, квадрат и круг – эталоны простых форм):

–разделение образа на фигуру и фон;

–заполнение пробелов;

–группировка элементов по разным признакам (близости, сходства, единого направления).

Таким образом, механизмы классификации и структурирования, реализуемые психикой, кардинально отличаются от подхода, принятого в науке, где в первую очередь за счет сходства и различия формируется общая система понятий, а затем она используется для логического вывода. Более привычные сигналы распознаются автоматически, почти тотчас же (это феномен «обыденных сведений» или «здравого смысла», на котором споткнулись ранние ИИ системы). В других случаях, когда информация новая, неполная или неоднозначная, наш мозг действует путем выдвижения гипотез, которые он одну за другой проверяет, чтобы принять ту, которая кажется ему наиболее правдоподобной или наиболее приемлемой.

Запоминание (т.е. формирование долговременной памяти) имеет молекулярные механизмы, и многие из них связаны с процессами, происходящими не между клетками, а внутри клетки, когда сигнал передается от мембраны геному. Формирование памяти проходит как бы две фазы: синтеза белка и экспрессии генов. На первой стадии, сразу после обучения (на стадии кратковременной памяти) активируются так называемые ранние гены. Вслед за этим идет вторая волна активации – после действия продуктов ранних генов на геном (на так называемые поздние гены). Иначе говоря, клетка перестраивает программу своей работы под влиянием ситуации обучения. В результате память человека выражается в проводимости конкретных нейронных синапсов. Интересно, что этот процесс:

–имеет место в отдельных нейронах, которые можно идентифицировать;

–не является одномоментным, а продолжается в течение 5–20 минут; если в это время человеку дается новая задача, которую он должен запомнить, то эта новая задача мешает запоминанию старой информации;

–идентичен при развитии мозга в детском состоянии и при обучении взрослых.

Таким образом, каждый акт познания (т.е. каждое решение отдельной задачи) для человека – это маленький эпизод морфогенеза и следующего развития. Это, а не скорость операций, обеспечивает мозгу способность к генерации новых решений в динамически меняющейся среде. Сформированная (консолидированная) память стабильно хранится в сетях дифференцировавшихся нейронов (до сотни миллионов нейронов). Но в момент извлечения старой памяти активируются молекулярные механизмы, похожие на те, которые активируются в момент запоминания, т.е. происходит своего рода перезапись. Большой экспериментальный материал показывает, что емкость и длительность долговременной памяти в принципе безграничны. Однако большей ее частью человек в обычных для себя условиях воспользоваться не может, так как не имеет к ней доступа. В памяти человека механизма произвольной адресации нет, а основой адресации является контекст. Другими словами, информация всегда воспроизводится на основе той структуры, в составе которой она запоминалась. Таким образом, память – только одна из характеристик работы больших систем нервных клеток, это искусственно выделенный аспект работы мозга. Нет такого «куска» мозга, который бы занимался только памятью (как жесткий диск в компьютере). То же самое касается сознания. Сознание – это не след, а процесс, который современная нейробиология также может визуализировать с высокой детальностью – до уровня отслеживания активности отдельной нервной клетки во время отдельного поведенческого акта.

С позиций психологии мышление – это психологический процесс с открытием нового (возможно, субъективно, то есть только для мыслящего) знания и решение проблем на основе переработки полученной информации. Современная психология сформировала модель мышления, основанную на асимметрии полушарий мозга. В процессе мышления участвуют оба полушария. В каждый момент времени обработка информации происходит только в одном полушарии. При доминировании левого полушария у человека результаты его деятельности могут быть выражены вербально (в словах) и осознаны. При доминировании правого полушария результаты не вербализуются и не осознаются. Переходы из левого в правое полушарие и обратно происходят скачком, при этом только при переходе из правого (образного) в левое (вербальное) возникает ощущение внезапности полученного решения. В этом случае мы считаем, что решение найдено интуитивно или путем «инсайта». Другими словами, механизм интуиции связан с накоплением и обработкой информации в одном полушарии до момента достижения некоторого порога, при котором полуфабрикат решения скачком передается в другое полушарие для реализации, завершения или осознания.

1.2. Интеллект и когнитивные функции.

Большинство психологов определяют интеллект как способность индивидуума адаптироваться к окружающей среде. Общество, в котором мы живем, придает главное значение абстрактному мышлению, индивидуализму, духу конкуренции, учебным и профессиональным успехам. Тесты, по которым оценивается уровень интеллектуального развития (IQ), отражают адаптируемость человека к обществу именно в смысле этих ценностей. В обществе с иными представлениями понятие о нормальном интеллекте было бы, очевидно, существенно иным. Большинство исследований свидетельствуют о иерархическом характере интеллекта. Под когнитивными функциями принято понимать наиболее сложные функции головного мозга, с помощью которых осуществляется процесс рационального познания мира. К когнитивным функциям относятся память, гнозис, речь, праксис и интеллект. Нейропсихологи придают им следующую трактовку.

Память–это способность головного мозга усваивать, сохранять и воспроизводить необходимую для текущей деятельности информацию. Выраженные нарушения памяти на события жизни обозначают термином «амнезия».

Гнозисом называется функция восприятия информации, её обработки и синтеза элементарных сенсорных ощущений в целостные образы.

Речь–это способность обмениваться информацией с помощью высказываний. Нарушения речи (афазии) чаще всего развиваются при патологии лобных или височно-теменных отделов головного мозга.

Праксис–это способность приобретать, сохранять и использовать разнообразные двигательные навыки. Патология лобных долей приводит к нарушению способности построения двигательной программы, а патология теменных долей – к неправильному использованию своего тела в процессе двигательного акта при сохранной программе движений.

Под интеллектом понимают способность сопоставлять информацию, находить общее и различия, выносить суждения и умозаключения. Интеллектуальные способности обеспечиваются интегрированной деятельностью головного мозга в целом.

Когнитивистика (когнитивная наука) – междисциплинарное научное направление, объединяющее теорию познания, когнитивную психологию, нейрофизиологию, когнитивную лингвистику и теорию искусственного интеллекта [Kiely, 2014]. В когнитивистике совместно используются компьютерные модели, взятые из теории ИИ, и экспериментальные методы, взятые из психологии и физиологии высшей нервной деятельности, для разработки точных теорий работы человеческого мозга. Вначале ученые-когнитивисты уподобляли соотношение между мозгом и познанием взаимосвязи между компьютерным оборудованием и программным обеспечением. При этом существовали два конкурирующих объяснения познания – либо как процессы манипулирования символами (когнитивизм), либо как нейронная сеть тормозящих и возбуждающих связей (коннекционизм). Высшие когнитивные функции в целом отвечают за планирование, реализацию, координацию и контроль целенаправленного поведения. Когнитивное функционирование описывается как взаимодействие между одновременно происходящими процессами «сверху вниз» и «снизу вверх». Нисходящие процессы управляются абстрактными концепциями и схемами более высокого уровня. Они относятся к той роли, которую знания и ожидания, сформированные предыдущим опытом, играют в обработке информации. И наоборот, восходящие процессы отражают роль конкретных сенсорных входов более низкого уровня в управлении познанием. Кроме того, учитывается многомерный и иерархический характер когнитивных конструкций (в том числе многослойная модель интеллекта). Другим важным примером иерархической и многомерной природы познания являются исполнительные функции. Исполнительные функции связаны с выполнением рутинных повседневных действий. Однако, современная когнитивистика рассматривает их как набор сложных процессов более высокого порядка, отвечающих за планирование, реализацию, координацию и контроль целенаправленного поведения. Исполнительные функции включают специфические когнитивные процессы, наиболее тесно связанные с функционированием лобных долей, такие как торможение, рабочая память и внимание. В частности, исполнительные функции важны для суждений, принятия решений, решения проблем и оценки ситуации. Наблюдаемый сейчас прогресс в когнитивистике направлен на то, чтобы описать и объяснить процессы в мозгу человека, ответственные за высшую нервную деятельность. Это позволит создать системы сильного ИИ, который будет обладать способностями к самостоятельному обучению, творчеству, свободному общению с человеком.

В самом конце первого десятилетия XXI века за рубежом появилось понятие «общий искусственный интеллект», в рамках которого стали развиваться более скромные идеи компьютерного моделирования целостного интеллекта как открытой системы, связанные с исследованием сознания.