Глава 5. НЕЙРОННЫЕ АНСАМБЛИ И ПАМЯТЬ

Глава 5. НЕЙРОННЫЕ АНСАМБЛИ И ПАМЯТЬ

5.4. СХЕМА ОБРАЗОВАНИЯ КОМПЛЕКСА

Входные устройства автомата сконструированы так, что при восприятии внешней ситуации они расчленяют ее на последовательность элементарных частей. Например, тексты расчленяются на слова, слога, буквы. Элементарную часть внешней ситуации будем называть внешней фонемой. Каждая внешняя фонема соотнесена с определенной группой рецепторов, а через нее (с помощью возбуждающих связей) и с определенной группой нейронов первого иерархического слоя своей модальности. Появление и повторение во внешних ситуациях определенной внешней фонемы приведет к образованию соответствующего ей нейронного ансамбля, который будем называть внутренней фонемой, или просто фонемой. Фонемы по способу образования соответствуют элементам алфавита, до которых входные устройства препарируют внешние ситуации. Образование ансамблей более высоких уровней есть обратное восстановление целого по частям: слога по буквам, слова по слогам. Целостная конструкция "дом" синтезируется по ее фрагментам: "стена", "крыша", "окно", "дверь", и в памяти автомата для нее возникает собственный ансамбль. Комплекс - это конструкция из объединяющего ансамбля, соответствующего какой-либо внешней ситуации (дому), и ансамблей, соответствующих частям ситуации, которые в прошлом породили объединяющий ансамбль (стена, крыша, окно, дверь). В комплексе представлены ансамбли-части и ансамбль-целое, или фонемы и слово .Первопричиной формирования памяти у автомата является свойство альтернативности фонем, обусловленное тормозными связями между ансамблями одной зоны. Альтернативность фонем делает восприятие объектов и ситуаций поэлементно разобщенным, "рваным". Отдельные части воспринимаются, как мы уже говорили, с паузами на время рассасывания тормозных потенциалов на нейтронах-пробках. Формирование комплекса делает возможной слитную работу фонем и восприятие ситуаций и объектов в единстве, в едином акте за счет возникающего у комплекса механизма компенсации пробок.

Рассмотрим схему образования комплекса. Для определенности будем считать, что ситуации во внешней среде текстовые, подаваемые побуквенно. Наименьшая, т.е. элементарная, часть ситуации - буква. Все буквы автомату уже знакомы, т.е. для каждой из букв в первом иерархическом слое уже образованы ансамбли, связанные непосредственно с рецепторами входных устройств, умеющих распознавать буквы. Комбинации из букв (т.е. слова) автомат еще не знает. Образование комплекса осуществляется в три этапа: 1) образование "цепочки" фонем; 2) образование слова, объединяющего фонемы; 3) образование компенсирующих связей от слова на его фонемы. Цепочка фонем образуется благодаря относительно малым паузам между работой фонем. Направленность связей между фонемами отражает порядок их следования. Детали механизма образования цепочки потребуют уточнения в экспериментах.

Образовавшаяся цепочка - это память о некоторой внешней ситуации в том смысле, что теперь по одной первой букве _iа^ в автомате благодаря запускающим и компенсирующим связям возникает процесс такой же (или почти такой же), что и под влиянием всей группы внешних фонем. Однако такая память "на цепочках" основой хранения знаний стать не может из-за малого количества элементов _iа, образующих алфавит, и большого числа ситуаций. Цепочка фонем - кратковременная память, необходимая, чтобы на ее базе далее строить уже долговременную память из "слов", что и составляет второй этап образования комплекса.

Как было показано в разд. 5.3, слово образуется на пересечении проекций фонем в такой зоне "коры", где проекции фонем густо представлены. В рассмотренном примере четыре фонемы, и значит, должна существовать зона, для которой разметка случайных слабых межнейронных связей оптимальна именно для встречи представителей четырех ансамблей-фонем. Для других количеств фонем (начиная с одной) должны оказаться предпрограммированными свои особые зоны. (Это определит возможные размеры "слогов" при построении структуры языка для данной модальности.) Для образования объединяющего ансамбля-слова существенными являются три момента. И не только для образования, но и для последующих главных свойств памяти.

Первый момент — это быстрое рассасывание возбуждающих потенциалов W⁺ на нейронах. Они исчезают почти сразу после прекращения генерации нейронов — источников связей. Фонемы цепочки работают при восприятии внешней ситуации последовательно, и когда работает ₂а, потенциалы W⁺, созданные работой ₁а, уже рассосались, а значит, суммирования потенциалов на нейронах будущего слова на пересечении проекций не будет и не будет образования одновременно работающей группы, из которой могло бы выделиться слово.

Второй момент касается особенностей тормозного потенциала W^-. Для выделения нейронов будущего слова фонемы цепочки должны хотя бы малое время проработать одновременно с высокой частотой генерации, но тормозные связи между фонемами этому мешают. Эффект действия тормозной связи в межнейронных отношениях очень велик, но зависимость изменения тормозного потенциала от времени выбрана такая, чтобы этот эффект достигался не сразу. На рис.5.1 показано нарастание возбуждающего и тормозного потенциалов на нейроне-пробке для вполне сформировавшегося ансамбля, когда возбуждающая и тормозная связи начинают действовать на нейрон одновременно. Из рисунка видно, что хотя значение W^-_max существенно выше, чем максимальный суммарный возбуждающий потенциал W⁺_max, в самом начале процесса возбуждающее действие намного выше тормозного. Эта особенность и делает возможной одновременную работу всех фонем цепочки, необходимую для образования слова. Такую форму работы фонем назовем компрессией (примечание: термин "компрессия" использовала академик Н.П. Бехтерева для открытого ею феномена сжатого прорабатывания слов.).

Рис. 5.1. Графики нарастания W⁺ и W^- при высокочастотной генерации

Третий момент в механизме образования слова связан с вопросом о подсознании. Для того чтобы фонемы цепочки проработали в компрессивной фазе, они должны заработать спонтанно, а не под воздействием внешних фонем. Подсознание — прежде всего такой режим, когда с большой вероятностью при отключенных входных устройствах, т.е. без участия внешних фонем, происходят самопроизвольные срабатывания цепочек, образовавшихся в режиме бодрствования. О том, как возникает режим подсознания и каковы его другие роли, будет сказано ниже. Здесь важно, что тормозные отношения между фонемами при низкочастотной генерации много слабее, чем взаимопомощь за счет возбуждающих связей в цепочке. Состояние: цепочка в виде фонем, генерирующих на низкой частоте (в виде очагов возбуждения), сохраняется достаточно долго. Возбуждающие связи (динамические компоненты) на все задействованные нейроны постепенно увеличиваются, пока какой-либо из нейронов не сумеет преодолеть порог рефрактерности. Когда это случится, происходит взрыв — все нейроны цепочки очень быстро переходят на высокочастотную генерацию, так как возбуждающие потенциалы нарастают значительно быстрее, чем тормозные на пробках (см. рис. 5.1). Это и есть фаза компрессии, когда в зоне образования слов на нейронах происходит пересечение проекций фонем и накапливаются возбуждающие потенциалы, достаточные для срабатывания нейронов. Начинает образовываться ансамбль-слово. Одновременно усиливаются слабые связи от фонем на слово, которые, собственно, и представляют проекции фонем. Такие усиленные связи от фонем на слово будем называть нисходящими связями комплекса. Когда слово и нисходящие связи на него образовались, работа фонем этого слова в режиме бодрствования будет способствовать запуску и работе слова, а значит, возникают условия для образования восходящих возбуждающих связей от слова на его фонемы, которые станут компенсирующими связями. Это третий этап образования комплекса.

На третьем этапе существенным является то, чтобы на каждый нейрон-пробку группы рассматриваемых фонем (которыми реализуется взаимная альтернативность этих фонем) от какого-либо из нейронов слова оказалась хотя бы одна из заготовок связей.

Появление восходящих связей ведет к тому, что суммарное возбуждение на нейронах фонем после их запуска и полной раскрутки будет превышать необходимое, обеспечивающие генерацию на оптимальной частоте, и, значит, все возбуждающие связи на нейрон начнут уменьшаться, реализуя требование n®n_opt. Теперь необходимо, чтобы уменьшение связей между фонемами в цепочке было существенно большим, чем уменьшение восходящих связей. Если такое свойство обеспечено, то через какое-то время, после нескольких актов восприятия ситуации ₁a^, ₂а^, ₃а^, ₄а^ в режиме бодрствования цепочка исчезнет, а связь фонем окажется обеспечиваемой только восходящими связями от слова, которые будут и запускающими и компенсирующими. То, что фонемы вошли в некоторый комплекс ( в некоторое понятие) не будет мешать образованию из них других комплексов. Логика вытеснения связей цепочки связями на фонемы от слова определяет выбор значений констант в формулах (2.15), (2.16) для связей внутри различных зон и между зонами.

Итак, у автомата есть краткосрочная память в виде цепочек ансамблей и долговременная в виде объединяющих ансамблей более высокого порядка. Для перехода в долговременную память некоторой ситуации образованная ею цепочка должна сохраниться до фазы или режима "подсознание". Если связи цепочки рассосутся раньше, ситуация не запомнится.