5 курс / ОЗИЗО Общественное здоровье и здравоохранение / Хай Г.А. Информатика для медиков

преобразования и передачи на другие каналы связи (выходные отростки данного нейрона).

Нейрон имеет оболочку, отростки и внутренние элементы. Оболочка отделяет тело нейрона от внешней среды. Отростки своим окончанием (входные) или началом (выходные) объединены с внутренней средой нейрона.

Внутренние объекты нейрона представляют собой системное объединение двух элементов через общий субэлемент связи (&). Он имеет постоянную материальноэнергетическую характеристику. Если импульсы, поступающие по входному каналу нейрона (аксону), энергетически недостаточны, то ничего не происходит, пока такие импульсы не суммируются и не станут соответствовать характеристике &. Только в этом случае достаточный импульс "разрывает" связь, системное объединение распадается, один из базовых элементов нейрона перемещается в сторону выходных каналов связи (дендритов) и передает им соответствующий импульс (сигнал) к другим нейронам либо модулям устройства. После этого данный элемент возвращается в исходное состояние и вновь системно объединяется с другим элементом через &.

Время, необходимое для передачи сигнала (импульса) от входного канала связи к выходному и до возвращения состояния нейрона к восприятию последующих импульсов, называется рефрактерной паузой данного нейрона.

Нейронная сеть. Прямые или опосредованные связи в пределах периферической нервной системы, а также непосредственная связь периферической системы с центральной образуют нейронную сеть ("паутина жизни" по Ф. Капре). Такая структура обеспечивает оптимальные возможности управления многообразными функциями изделия в целом.

Данные нейронные сети принципиально отличаются от понятия нейронных сетей в существующих автоматизированных информационных системах.

Центральная нервная система

Спинной мозг: сегменты; проводящие пути: восходящие, нисходящие.

Головной мозг: подкорка, кора.

Замечание: "Биологизация" и "интеллектуализация" изделия в целом вызывают необходимость жестко сформулировать предельно допустимые границы автономии его решений и действий.

Спинной мозг является конструктивным продолжением головного мозга. Он предназначен для непосредственного управления основными функциями всех комплексов изделия, кроме центрального, а также части блоков и модулей сенсорного комплекса. Непосредственное управление предполагает не только реализацию

управленческих команд, генерируемых головным мозгом, но и частичную автономию спинного мозга.

Спинной мозг состоит из нескольких (не менее двух) однотипных относительно автономных, но структурно взаимосвязанных сегментов. В общую структуру спинного мозга входят проводящие пути двух типов: эфферентные ("передние", нисходящие) и афферентные ("задние", восходящие). Они являются взаимными каналами связи спинного мозга с головным, где начинаются и соответственно заканчиваются в конкретных отделах (модулях - узлах) подкорки. В пределах же спинного мозга проводящие пути начинаются (афферентные) и заканчиваются (эфферентные) в соответствующих сегментах.

Каждый сегмент спинного мозга включает группы нервных узлов, аксоны которых образуют соответствующие передние (исходящие

из головного мозга и впадающие в данные узлы) либо задние (исходящие из спинного мозга и впадающие в узлы подкорки) проводящие пути.

Дендриты узлов спинного мозга, объединяясь в пучки, образуют передние и задние рога, расположенные попарно "по обе стороны" от него. В свою очередь, объединяясь за пределами мозга "по бокам" от него, эти рога вливаются в боковые парамедулляр-ные нервные узлы - анимальные или вегетативные, в зависимости от функционального назначения, соответствующие каждому сегменту спинного мозга.

От парамедуллярных узлов отходят нервные стволы, образующие всю периферическую нервную систему, за исключением ее части - мозговых нервов, связанных непосредственно с головным мозгом. Эти нервы также включают афферентные и эфферентные волокна, обеспечивающие в основном оперативное управление наиболее важными блоками сенсорного комплекса изделия.

Головной мозг состоит из двух взаимосвязанных отделов - коры и подкорки. Оба они представлены множеством взаимосвязанных нейронов, образующих функциональные нервные узлы (в подкорке) и функциональные зоны (в коре).

Подкорка получает по всем каналам связи, прямо либо опосредованно, всю импульсацию от всех источников периферической нервной системы и спинного мозга изделия.

Задачи подкорки:

-сортировка полученных сигналов;

-"бессознательное" автономное автоматизированное, в том числе рефлекторное управление частью функций изделия;

-отбор информации для передачи в кору;

-передача в кору сигналов в соответствии со смысловыми алгоритмически заданными правилами и условиями, определяющими особенности ситуации, в которой в каждый данный момент находится изделие. Эти сигналы активизируют нужные зоны коры для выполнения свойственных только ей функций;

-выполнение команд коры по управлению конкретными комплексами и изделием в целом.

Нейронная сеть строится в виде квадратной сетевой паутины. Конструктивно она может быть свернута в любую удобную конфигурацию.

Типовая структурная единица квадратной паутины - единый базовый элемент (ЕБЭ), где каждый из 9 включенных в него взаимосвязанных квадратов является первичной ячейкой (ПЯ). Существующие в живой нервной системе синапсы в данную структуру не включены.

Выделение ЕБЭ в структуру, состоящую из 9 ПЯ, имеет информационный смысл. Ответов на 9 стандартных вопросов"что?" ("кто?"), "какой?" ("какое?"), "чей?" ("с

гем?", "с кем?"), "сколько?", "где?" ("куда?", "откуда?"), "когда?", "как?", "почему?", "зачем?" принципиально достаточно для характеристики (описания) любого объекта - вещества или события. Собственно говоря, событие - это то, что происходит с веществом (выше об этом уже говорилось).

Такая структура лежит в основе построения базы знаний коры головного мозга центрального комплекса изделия.

ЕБЭ объединяют в первичные комплексы (ПервК) сетевой структуры, ПервК - во вторичные комплексы (ВК), ВК-втретичные комплексы (ТК). Объединения ТК образуют корковую зону (КЗ).

В состав одной КЗ, если ЕБЭ строятся изолированно друг от друга, включаются 6561 ЕБЭ и 59 049 ПЯ. Всего в составе коры имеется пять относительно независимых специализированных КЗ.

Кора головного мозга (собственно "интеллект"). Схематически основной функциональный цикл коры можно представить таким образом: ...раздражения → ощущения → самосознание → потребности → распознавание и узнавание с использованием синестезии и БЗ - эмоции - целеполагание - сценарные рассуждения и утверждения - выбор стратегии поведения с учетом возможных ограничений и мотивации - действие - оценка результа -тов - обратная связь - корректировка и пополнение БЗ - формирование условных рефлексов - и... все сначала.

Функциональные зоны коры:

-сенсорная зона;

-зона базы знаний;

-зона анализа и распознавания;

-зона сценарного мышления;

-зона выбора и реализации решений.

Комментарий. Сознание и мышление являются физиологической (психической) функцией коры головного мозга. Механизмы и сущность этих естественных явлений остаются неизвестными.

В описываемом программно-аппаратном комплексе, имитирующем (моделирующем) некоторые функции коры для сугубо прагматических целей, примем информационные результаты ее преобразований на алгоритмически заданном этапе в качестве функции мышления и сознания.

Для поставленной цели мы определили информацию как индивидуальную интерпретацию приемником результатов его взаимодействия с принятым сигналом. Этот результат является материально-энергетическим событием. Интерпретация корой головного мозга данного устройства таких результатов, в свою очередь, может рассматриваться как последующее событие, задаваемое алгоритмическим способом. Будучи представленным на любом из конструктивно избранных языков в форме текста, последний принимается в качестве описания процесса мышления.

Сенсорная зона

Основными функциями сенсорной зоны являются осознание получаемых ею импульсов (раздражений) и преобразование их в ощущения, формирование самосознания и эмоций.

Все импульсы кора получает из подкорки, в которой они сортируются, отбираются и передаются в кору. Их источниками являются спинной мозг и мозговые нервы.

Основные функции сенсорной зоны распределены по взаимосвязанным блокам, а внутри блоков - по специализированным модулям. Общим является то, что преобразованные этой зоной различные входные импульсы становятся различными ощущениями, которые и осознаются головным мозгом изделия как специфические.

Особенности задач и реальных ситуаций, в которых находится изделие, могут вести к отсрочке удовлетворения этих потребностей и даже к полной их отмене.

Блок эмоций

Будем называть эмоциями системное объединение различных ощущений. Эмоции разделяют на положительные (удовлетворенность чем-либо) и отрицательные - неудовлетворенность. Эмоции имеют степень выраженности: сильные, умеренные и слабо выраженные.

Эмоции являются подсознательным основанием для того, чтобы принимать решения, не прибегая к аналитическим механизмам. Аналитический - осознаваемый - механизм выбора и реализации решений нередко вступает в противоречие с эмоциональным, поскольку в основу аналитического механизма алгоритмически закладывается необходимость достижения различных целей, что может не совпадать с "собственными интересами" изделия, в частности его самосохранения. Доминирование рационального выбора в ряде ситуаций может приводить к подавлению эмоциональной составляющей.

Баланс эмоционального и рационального в поведении любого высокоразвитого живого существа является реальностью. Моделируя систему управления изделием, обладающим целевой функцией и возможностью выбора стратегии поведения, целесообразно использовать и эти механизмы. Блок эмоций связан с зонами анализа, мышления и выработки решений.

Зона базы знаний

Знания – это система взаимосвязанных данных (повторюсь: по Г. В. Колшанскому,

лингвистическим представлением данных является слово, знаний - предложение, мысли - текст).

Используемая в данной разработке БЗ принципиально отличается от существующих баз знаний, и тем более от БД.

Системная структура базы знаний является независимым программным продуктом. В полной конфигурации БЗ представлена "оболочкой", заполняемой пользователем применительно к любой предметной области. Структура БЗ иерархична. На каждом уровне представлены элементы, связи между ними и системные объекты, являющиеся вариантами объединений данных элементов через эти связи.

Такие структурные описания системных объектов являются знаниями. При переходе на более высокий иерархический уровень БЗ объекты нижележащего уровня

рассматриваются как элементы вышележащего, а элементы нижнего уровня -

как связи верхнего. При переходе с более высокого уровня вниз - "вглубь" по иерархии знаний - осуществляется обратная процедура. Число иерархических уровней не ограничивается. Число системных объектов, элементов и связей также не ограничивается

и зависит от фактического объема знаний в предметной области. Предусматриваются развернутая характеристика объектов ("веществ и событий") и описание их атрибутов.

При использовании БЗ в качестве зоны коры головного мозга изделия она конструктивно заполняется теми знаниями, которые необходимы для его специфики, целей, объектов внешней среды, способов управления и функционирования. В процессе эксплуатации изделия БЗ пополняется и может изменяться.

Блок "Система управления базой знаний"

В рамках данного устройства система управления базой знаний (СУБЗ) обеспечивает пополнение БЗ в интерактивном режиме, обращение к любому ее уровню, коррекцию, пополнение, очистку. Поскольку первичное заполнение БЗ производится конструктивно при изготовлении изделия, то дополнительное обращение к необходимым БД для пополнения базы знаний нужной внешней информацией производится в процессе его эксплуатации. СУБЗ обеспечивает передачу и использование знаний в зону сценарного мышления для построения "сценариев", имитирующих процесс примитивного мышления, поиск аналогов по заданным параметрам, поиск объектов, анализ структур, связей и свойств. СУБЗ работает при поддержке и под контролем системного процессора.

Блок "Интеллектуальный системный процессор"

Конфигурация интеллектуального системного процессора (ИСП) адаптирована к структуре БЗ. Он имеет принципиальные отличия от конфигурации стандартных процессоров. Его использование позволит уменьшить число операций (и команд) при заполнении и использовании БЗ.

Сопряжение БЗ, СУБЗ и ИСП следует считать сопряжением с сенсорной зоной коры головного мозга.

Зона анализа и распознавания

Зона анализа и распознавания предназначена для выполнения нескольких функций. Зоны распределены по блокам:

1)распознавание образов (распознавание и узнавание);

2)поиск аналогий между наблюдаемыми объектами внешней среды и описаниями объектов, хранящихся в БЗ;

3)анализ информации, передаваемой из подкорки с помощью "психического кода";

4)анализ эмоциональной составляющей, импортируемой из сенсорной зоны;

5)анализ состояния внутренних технических систем изделия;

6)сопоставление целевой функции с оценкой информации, получаемой из блоков 1-5;

7)передача в зону сценарного мышления и зону выбора решения результатов анализа блока 6.

Блок "Распознавание образов"

"Распознавание образов" в качестве обобщенного наименования проблемы делится на две последовательные задачи: распознавание и узнавание (М. М. Бонгард). Распознавание - это классификация, узнавание - идентификация.

Классификация - информационная процедура отнесения изучаемого объекта к некоторому известному классу объектов по сходству основных признаков. Основанием для такого утверждения служит наличие взаимосвязанной совокупности обобщающих характеристик распознаваемого объекта с обобщающими основными характеристиками эталона - характеристиками класса объектов.

Идентификация - информационная процедура, позволяющая по взаимосвязанной совокупности индивидуальных признаков утверждать, что распознаваемый объект является "тем самым единственным, который обладает персональным именем".

Для осуществления процедуры распознавания в БЗ коры должны храниться достаточно полные характеристики всех объектов, распознавание которых включено в задачи изделия. Они либо вносятся туда конструктивно (что лучше), либо приобретаются в процессе эксплуатации.

Признаки, характеризующие тот или иной "эталонный образ", должны быть принципиально распознаваемыми сенсорной системой устройства.

Алгоритмически задачи классификации и идентификации, особенно при "неполном наборе признаков", требуют первично множественных, минимально необходимых и достаточных описаний, представленных в виде импликативных логических функций, позволяющих сделать то или иное утверждение. Технически - вполне приемлемо сопоставление изображений, звуков, запахов ит.п.

Использование аппарата математической статистики для этих целей неприемлемо.

Блок "Поиск аналогий"

Будем называть аналогией сходство объектов не по взаимосвязанной совокупности общих либо индивидуальных характеристик, а по заранее заданным (сформулированным) отдельным характеристикам (признакам).

Понятие аналогии в обиходе можно обозначить словом "похоже". Если сходство сравниваемых объектов достаточно близкое, то понятие аналогии нередко пересекается с понятием классификации.

Поиск аналогий с помощью зоны анализа и распознавания необходим для понимания сущности и предназначения объектов, описания которых отсутствуют в БЗ, но которые возникают во внешней среде конкретного изделия. Это попытка ответа на вопросы "что это такое?", "кто это?" путем ответа на вопрос "на что это похоже?".

Поиск аналогий является эффективным подспорьем процессам распознавания и узнавания для ориентировки изделия в объектах внешней среды. Сказанное относится к распознаванию объектов-веществ и объектов-событий, поэтому при поиске аналогий возникает необходимость обращаться не только к БЗ, но и к памяти о происшедших ранее событиях, в том числе о результатах принимавшихся ранее решений. Для этого необходимо обращаться к другим блокам данной зоны и к зоне выбора и реализации решений.

Блок "Анализ психического кода"

Психический код (Пк) предназначен для оптимизации методов отбора и передачи из подкорки в кору той информации, которая оказывается наиболее актуальной в данный момент с позиций самого существования изделия. Эта информация, алгоритмически отобранная по содержательным характеристикам, является тем материалом, который используется корой в сценарной зоне для последующего выбора решения "Что делать?". Суть в том, что возможности сценарных рассуждений коры ограничены, и поэтому для них следует отбирать только наиболее важные знания. Если лингвистическим выражением знаний является предложение, то мышления - текст. И именно предложения, переданные из подкорки в кору, служат тем материалом, из которого в ней строятся текстовые рассуждения, утверждения и предположения. Если этого материала нет, то и "рассуждать не о чем". Если знаний недостаточно, то процесс мышления неполноценен, что влечет за собой некачественные решения о выборе образа действий и в целом - неэффективное функционирование изделия.

Психический код информирует кору о наличии трех наиболее значимых (актуальных) для целенаправленной деятельности и самосохранения изделия сиюминутных ситуациях и состояниях самого устройства, а также о количественной мере их выраженности. К ним отнесены: потребность (П), опасность (О) и необходимость (Н). Степень их выраженности определяется числом данных букв в трехбуквенном коде. Порядок букв не имеет значения.

Всего 20 комбинаций кода в одной посылке, включая "пустой" вариант, когда "ни о чем думать (рассуждать) не надо". Две и три одноименные буквы в одной посылке кода определяют не два или три вида потребностей, опасностей или необходимостей, а только степень их выраженности. Каждый вид этих ситуаций задается самостоятельной посылкой.

Частота таких сообщений в кору зависит от специфических задач самого изделия. Также от этого зависит содержательная часть - смысловое значение данных сообщений.

Для формирования Пк необходима связь с сенсорной зоной и БЗ коры.

Принципы отбора необходимой информации из поступающей в подкорку и отсеивания неактуальной, как и процедура формирования Пк, задаются алгоритмически в зависимости от типа изделия. Анализ Пк и наполнение его конкретным содержанием (осмысление) осуществляются в коре.

Блок "Анализ эмоций"

В данном контексте будем называть эмоциями взаимосвязанные совокупности осознаваемых ощущений, побуждающих изделие к тем или иным действиям. Эти действия предназначены для достижения и сохранения положительных эмоций и для избавления от отрицательных.

Равновесным состоянием будем считать ощущение эмоциональной удовлетворенности.

Положительные эмоции: сытость, безопасность, исправное функционирование всех комплексов, отделов и блоков изделия, достигнутая цель каждого действия, достаточная информация о текущей ситуации.

Отрицательные эмоции: голод, опасность, неисправное функционирование любого блока изделия, недостижение (полное или частичное) цели любого конкретного действия, недостаточная информация о текущей ситуации.

И положительные, и отрицательные эмоции имеют три степени выраженности: малую, среднюю и высокую. Они определяются совокупностью причин, что задается алгоритмически. Поскольку положительные и отрицательные эмоции противоположны по смыслу (и знаку), наличие любой из них, независимо от степени выраженности, автоматически исключает существование противоположной.