Get best of the week

Reverse Engineering Gehirn. Erinnerung

Bild

Das Gehirn ist mein alter Nachbar. Wenn man bedenkt, wie viel Zeit wir verbracht haben und wie viel wir noch zusammen sein mĂŒssen, um uns nicht fĂŒr ihn zu interessieren - pure Taktlosigkeit.

Sie gehen mit einer schwarzen Kiste in der SchĂ€delkiste, und diese Kiste versteht, dass er sich selbst eine solche Beschreibung gibt. Das ist sehr merkwĂŒrdig. Wenn sie mir ein StĂŒck Eisen mit solchen Merkmalen gegeben hĂ€tten, hĂ€tte ich meine ganze Freizeit getötet, um zu verstehen, wie es funktioniert. Eigentlich töte ich. Der Gegenstand des Studiums ist immer bei mir - sehr praktisch. Das einzige Schade ist, dass Sie nicht hinein graben können.

Das Gehirn zeichnet Informationen auf und verarbeitet sie. Aber wie? Warum wird etwas lange gelagert, aber in ein paar Tagen ist etwas vergessen? Wie hÀngt das mit Neuronen zusammen?

Ist es möglich, basierend auf Informationen aus der Neurobiologie ein Modell des Gehirns zu erstellen, das ein Verhalten Àhnlich einem echten Gehirn liefert?

Was zu erraten? Lass es uns einfach versuchen.

HAFTUNGSAUSSCHLUSS:

Es wird keine vollstĂ€ndige ErklĂ€rung fĂŒr die Funktionsweise des Gehirns geben. Dies ist eine kurze Beschreibung der Grundprinzipien. In diesem Artikel wird ein ungefĂ€hres Modell erstellt. Manchmal funktioniert es nicht. Aber das ist besser, als kein Modell zu haben.

Wir können eine Analogie zur Reibungsformel in der Physik ziehen. Es wird empirisch erhalten und ist nicht ganz genau. Es ist jedoch genau genug, um SchĂ€tzungen vorzunehmen und diese fĂŒr Berechnungen zu verwenden.
Alle unten stehenden Links dienen der eingehenden Untersuchung. Sie werden nicht benötigt, um den Artikel zu lesen. Und fast alles ist auf Englisch. Das russische Internet enthĂ€lt nur wenige relevante Informationen zu Themen, die fĂŒr uns von Interesse sind.

Wo soll ich anfangen?


Lassen Sie uns vorerst GedĂ€chtnismodelle aus der Psychologie beiseite legen. Alle Beschreibungen wie: "kurzfristig - langfristig" , "ArbeitsgedĂ€chtnis" , "Theorie der Verarbeitungsebenen" , "magische Zahl 7 + -2" verwirren uns jetzt nur noch. Der Versuch, das Gehirn mit ihrer Hilfe zu verstehen, ist wie der Versuch, das GerĂ€t des Computers zu erraten, indem man unter dem Konto mit Kindersicherung in den Monitor schaut. FĂŒr uns werden sie erst dann nĂŒtzlich, wenn wir die Grundprinzipien verstanden haben.

Wir werden von unten gehen und den Weg mit Neuronen beginnen.

Neuronen und Kommunikation


Bild
von: wiki

Es gibt viele Arten von Neuronen. Sie unterscheiden sich in der Anzahl der von Neurotransmittern verwendeten Dendriten und einer Reihe anderer Parameter, anhand derer sie klassifiziert werden können. Wir werden nicht in den Dschungel der Umsetzung gehen. Kommen wir zur Grundsignalisierung.

Wenn Sie den Prozess sehr grob beschreiben, sieht er folgendermaßen aus:

1. Es gibt ein geladenes Neuron, das Ionen enthĂ€lt. Wenn seine Ladung die Aktivierungsschwelle ĂŒberschritten hat (wir haben viele geladene Teilchen angesammelt), beginnen sich die Ionen entlang des Axons zu bewegen .

Bild
from: wiki

2. Nach Erreichen des Axonendes fallen Ionen in die Synapse . Neurotransmitter werden in der Synapse gespeichert und durch Ionen in die Freiheit freigesetzt.

Bild
von:Wiki

3. Unten ist ein anderes Neuron, das Rezeptoren hat . Sie akzeptieren freigesetzte Neurotransmitter und offene KanĂ€le fĂŒr die Ionenladung des nĂ€chsten Neurons. Kurz gesagt, der Neurotransmitter ist der SchlĂŒssel. Sobald es sich in der entsprechenden Rezeptorsperre befindet, öffnet es das Neuron zum Laden.

Über Substanzen, die erlaubt sind und nicht sehr.
, , — .

— , . , , « ». , .

— . , — () . .. , , . .

— , , .

, ! — .

Ein Neuron kann ĂŒber Dendriten Signale von mehreren empfangen . Und ein Axon kann mit mehreren Neuronen verbunden sein.

Jetzt lasst uns alles zusammenpressen:

  1. Ein Neuron kann Signale aktivieren und an ein anderes Neuron ĂŒbertragen.
  2. Ein anderes Neuron, das ein Signal empfangen hat, wird geladen und nÀhert sich der Aktivierung.
  3. Ein Neuron kann Signale von mehreren Neuronen empfangen.
  4. Wenn ein Neuron aktiviert ist, sendet es ein Signal an alle damit verbundenen Neuronen.

Oder in Form von Kreisen und Pfeilen:

Bild

Das ist alles sehr informativ, aber wo sind die Daten? Wie speichere ich Informationen in Neuronen, wie lese und schreibe ich?

Aufbewahrung und Lesen


FĂŒr die Speicherung und Aufzeichnung gibt es einen Mechanismus, der als synaptische PlastizitĂ€t bezeichnet wird .

An den Fingern kann dies wie folgt erklĂ€rt werden: Verbindungen zwischen Neuronen haben unterschiedliche „StĂ€rken“. Je stĂ€rker die Verbindung ist, desto stĂ€rker ist der NeuronenempfĂ€nger aufgeladen, wenn er aktiviert wird.

Bild

Und jetzt ein Moment, der vielleicht etwas schwer zu verstehen ist. Die StĂ€rke der Bindungen sind unsere Daten. Sie sehen diesen Text - dies ist die Aktivierung von Neuronen in Ihrem Gehirn. Das "Aktivierungsmuster", das es in unserem neuronalen Netzwerk erzeugt, nennen wir "sehen". Und ich höre, fĂŒhle, stelle mir vor, erinnere mich und so weiter. All dies ist die Aktivierung einer bestimmten Sequenz von Neuronen.

Mit anderen Worten, wenn Sie im visuellen Kortex des Gehirns einen Abschnitt finden, der aktiviert wird, wenn wir einen Löffel sehen, bringen Sie die DrÀhte dorthin und unterbrechen Sie den Strom- Das Gehirn wird einen Löffel sehen und er wird nirgendwo hingehen. "Ich sehe einen Löffel" = Aktivierung von Neuronen im visuellen Kortex aufgrund von Signalen von Photorezeptoren im Auge.

Willkommen in der realen Welt, Neo. Es gibt einen Löffel, es gibt Fotorezeptoren, es gibt Neuronen, und alle Versuche, etwas mit geistiger Anstrengung zu sehen, sind zum Scheitern verurteilt. Obwohl nein - Sie können Ihre Augen schließen.

Welche spezifischen Bereiche des Gehirns aktiviert werden, hÀngt davon ab, wie die Signale durch die Verbindungen gehen. Dies wird durch die StÀrke der Bindungen bestimmt.

ErgÀnzen Sie unser Bild:
Informationen im Gehirn werden in Form von Verbindungen unterschiedlicher StÀrke zwischen Neuronen gespeichert.
Das Lesen dieser Informationen erfolgt unter Aktivierung von Neuronen. Wie das „Aktivierungsmuster“ aussehen wird, hĂ€ngt von den Verbindungen und ihrer StĂ€rke ab.

Bild
Jede Person, die sich mit diskreter Mathematik beschÀftigt, erkennt auf diesem Bild einen gewichteten Digraphen .

Okay, aber wie Àndern Sie die StÀrke von Beziehungen und schreiben Daten?

Aufzeichnung


Es gibt so etwas wie die Hebb-Theorie oder die Hebb-Regel:
Neuronen, die sich zusammen einschalten - verbinden sich miteinander. (Neuronen, die zusammen feuern - zusammen verdrahten).

Auf der unteren Ebene wird dies durch den E-LTP - Mechanismus (Early Long-Term Potentiation oder LTP1) bereitgestellt.

Es kann wie folgt umformuliert werden:
Wenn wir ein Neuron aktivieren und das nÀchste danach aktivieren, wird die Verbindung stÀrker.

Bild

Aufgrund der Tatsache, dass wir Gehirnneuronen von außen aktivieren können, beispielsweise durch Sehen oder Hören, können wir Informationen darĂŒber aufzeichnen. Sie werden gemeinsam aktiviert, die KommunikationsstĂ€rke Ă€ndert sich. Das nĂ€chste Mal können Informationen erhalten werden, indem der Beginn der „Kette“ starker Bindungen aktiviert wird.

Aber es ist nicht so einfach. Das Problem ist, dass wir dazu neigen, etwas zu vergessen. Und das bedeutet, dass die Beziehungen nicht nur gestĂ€rkt, sondern auch geschwĂ€cht werden. Gleichzeitig kommt es zu einer ungleichmĂ€ĂŸigen Verschlechterung der Beziehungen - einige werden schneller dĂŒnner, andere - halten sehr lange an. Wie kann ich sonst erklĂ€ren, dass ich mich nicht an die ChemieprĂŒfung in der 11. Klasse erinnere, sondern an meinen Geburtstag im gleichen Zeitraum?

Sie können sich ein kniffliges System geschlossener Aktivierungsschleifen einfallen lassen und eine stÀndig gewartete Verbindung herstellen. Das reale Gehirn hat jedoch eine viel einfachere Methode, die als Late Long-Term Potentiation oder L-LTP bezeichnet wird.

Anstatt die Kommunikation durch stÀndige Aktivierung aufrechtzuerhalten, erfasst das Gehirn einfach seinen aktuellen Zustand.

Okay, mit "nur" bin ich zu weit gegangen. Es gibt Studien, die dafĂŒr sprechen, dass der Prozess unter Verwendung der Synthese spezieller Proteine gestartet wird . Es gibt andere Studien, die behaupten, dass die Hemmung der Proteinsynthese L-LTP nicht beeinflusst. Nachdem ich darĂŒber gelesen hatte, kam ich zu dem Schluss, dass niemand die Hypothese bezweifelt, den Zustand fĂŒr einen langen Zeitraum zu fixieren. Aber ich konnte die Details des Prozesses nicht herausfinden.

GlĂŒcklicherweise sind diese Details in unserer einfachen Welt der Pfeile und Kreise nicht vorhanden. Im Moment erinnern wir uns nur daran, dass die Verbindungen in der Lage sind, den Zustand aufrechtzuerhalten und nicht mit der Zeit schwĂ€cher zu werden.

Bild

Zusammenfassung


Fassen wir die Zwischenergebnisse unserer kurzen Exkursion in die Welt der Neurobiologie zusammen:

  1. Es gibt Neuronen. In unserem Bild sind es BĂ€lle. Sie akkumulieren eine Ladung und werden aktiviert, wenn sie einen bestimmten Schwellenwert ĂŒberschreitet.
  2. . . , — , - . .
  3. . — . , -, .
  4. . , - . , , E-LTP.
  5. . — , — , — . L-LTP.

Bild

, :


Wenn Sie an einem genaueren Neuronenmodell und einer Liste der charakteristischen Unterschiede biologischer Neuronen zu ihren Modellen im ANN interessiert sind, lesen Sie diesen Artikel . Im Rahmen dieses Beitrags habe ich nur beschrieben, was ich in Zukunft brauchen werde.

Dieser Teil der Studie dauerte 4 Monate. Ich las Artikel und durchbrach Dutzende dunkler Begriffe fĂŒr mich, bog in die falschen Bereiche ein und stieß auf veraltete Informationen zu meinem Thema.

Aufleveln. Subnetze und Objekte


Wir haben ein Modell der Prozesse im Gehirn mit Neuronen. Leider haben wir keine detaillierte Beschreibung der grĂ¶ĂŸeren Strukturen, "Subnetze" unseres Gehirns. Aber wir haben eine Basis, auf der wir es selbst aufbauen können. Jetzt werden wir Experimente durchfĂŒhren und Informationen ĂŒber das Verhalten des Gehirns sammeln. Und dann werden wir auf der Grundlage des Basismodells eine ErklĂ€rung der experimentellen Ergebnisse erstellen. Wenn wir es richtig bauen, wird es nicht nur erklĂ€ren, was wir bereits wissen, sondern auch die Ergebnisse weiterer Experimente vorhersagen.

Das erste, was mir auffiel, war, dass wir das Konzept eines Objekts haben. Oder das Ganze. Nun, im Allgemeinen alles, was als natĂŒrliche Zahlen betrachtet werden kann: Tische, StĂŒhle, HĂ€user, BĂ€ume, BlĂ€tter, Gehirne ... Das Gehirn mag dieses Konzept eindeutig, es ist intuitiv. Aber wir wissen, dass die Welt nicht aus Objekten besteht, wie wir sie sehen. Der Monitor, von dem Sie diesen Text lesen, ist kein festes Objekt. Wir können es in seine Bestandteile zerlegen. Es hat Pixel, es gibt einen Rahmen ... Wenn wir ihn weiter brechen, erreichen wir MolekĂŒle und Atome. Atome und MolekĂŒle sind aber auch kein Ganzes, sie bestehen aus anderen Teilchen.

Aber warum mag das Gehirn das Konzept eines Teilchens wirklich? Im Ernst, die beste Art und Weise zu brechen es ru bekommen ru Aufgaben nicht in ganzen Zahlen ausgedrĂŒckt ru verarbeitet werden .

Und ich dachte - was ist, wenn die Existenz der Objektwahrnehmung der Welt durch die Struktur unseres neuronalen Netzwerks erklĂ€rt wird? Was ist, wenn „Objekt“ ein Wort ist, das die Aktivierung eines verbundenen Bereichs beschreibt? Dies erklĂ€rt, warum wir einen Stuhl oder Tisch als Ganzes wahrnehmen - sie haben eine Kontur, die sich vom allgemeinen Hintergrund abhebt. Vielleicht fĂŒhrt dies zur gleichzeitigen Aktivierung eines gesamten Subnetzes im visuellen Kortex?

Ebenso können Wörter und Buchstaben erkannt werden. Um es sehr zu vereinfachen, wird es in unserem Bild so aussehen:

Bild

Ich habe eine Hypothese formuliert: Es gibt Bereiche im Gehirn mit starken Verbindungen zwischen Neuronen. Ihre Aktivierung vermittelt ein GefĂŒhl von "IntegritĂ€t" oder "Anwesenheit eines Objekts". Jetzt mĂŒssen Sie es auf StĂ€rke prĂŒfen.

Die erste Konsequenz, die erhalten werden kann, ist, dass wenn wir ein stark verbundenes Subnetz haben, es auch bei unvollstĂ€ndigen Informationen aktiviert wird . Wir mĂŒssen in der Lage sein, das bekannte Muster unabhĂ€ngig zu vervollstĂ€ndigen. Und umgekehrt - wenn es keine solche Vorlage gibt, kann das Gehirn sie nicht wiederherstellen. Hier stieß ich auf einige interessante Artikel ĂŒber optische TĂ€uschungen und Störungen bei der Verarbeitung von Informationen durch Sehen. Hier ist einer von ihnen. Ich habe auch viel Zeit damit verbracht, meine Freunde und Kollegen zu zwingen, Fragebögen mit fehlenden Buchstaben auszufĂŒllen. Ich habe die Wörter mit Auslassungen in 3 Kategorien unterteilt:

  1. Allgemeine Konzepte.
  2. Besondere Begriffe, die der befragten Person bekannt sind.
  3. Sonderbegriffe aus einem engen Bereich, der dem Thema unbekannt ist.

Zum Beispiel gab ich Kollegen an Programmierer einen Fragebogen, der alltĂ€gliche Wörter wie „Tabellen“ und „StĂŒhle“, Wörter aus dem IT-Bereich wie „ Muster “ und „ Hash-Tabellen “ sowie Wörter aus dem Bereich Biologie und Genetik wie „ Polyadenylierung “ oder enthielt " Adenosinmonophosphat ".

Es stellte sich heraus, dass Menschen die LĂŒcken erfolgreich in vertrauten Worten ausfĂŒllen und dies mit Fremden nicht tun können. Dies stimmte gut mit dem ĂŒberein, was ich in anderen Quellen gelesen hatte, und mit meiner Hypothese.

FĂŒr das Hören funktionierte dies auch. Die Menschen erkannten die ihnen vertraute Sprache auch mit einem schlechten Signal perfekt, konnten sie jedoch nicht bewĂ€ltigen, wenn sie auf ein ungewohntes Muster stießen.

Wenn Sie eine Frage zum Format haben: Warum zum Teufel haben Sie die offensichtlichen Dinge selbst ĂŒberprĂŒft?
, , , , . , . , — .

, , . , , . , , . ! , . , — .

. , , — . , . , « » — , . , . — .

, , « » « », . , , , . — . .

Ich habe meine Annahme 3 Monate lang getestet und es hat ĂŒberraschend gut funktioniert.
Sie senden eine stark verbundene Vorlage an die Eingabe - die Leute sagen, dass sie einen Sinn fĂŒr das Ganze hervorruft, definieren es als 1 Objekt. Ordnung brechen, versuchen, ein anderes Aktivierungsmuster zu erstellen - das Ganze ist in Teile geteilt und wird zu mehreren Objekten.

Zum Beispiel: "Felder", "Theorie", "Einheitlich" / "Einheitlich", "Theorie", "Felder" (Ich habe 7 Minuten lang versucht, ein Beispiel auf Russisch zu finden. Wer hatte die Idee, die Wahrnehmung von Wörtern durch ihre Form zu synchronisieren? Mit Englisch ist es einfacher: Spezielle RelativitÀtstheorie / RelativitÀtsspezial, Einstein-Feldgleichungen / Feldgleichungen Einstein)

Also kam ich zu Hypothese 1 :

Es gibt stark verbundene Netzwerke von Neuronen im Gehirn. Die Aktivierung eines solchen Netzwerks fĂŒhrt zu einem GefĂŒhl von „einem Objekt“ oder „Ganzem“. Das Schreiben neuer Objekte in den Speicher erfolgt durch die Schaffung eines neuen stark verbundenen Bereichs.

Mit anderen Worten, ich glaube, dass die FÀhigkeit zur Unterscheidung zwischen Objekten durch die KonnektivitÀt und die Zeitverzögerung der Aktivierung bereitgestellt wird.

PS
Ich werde reservieren, dass es höchstwahrscheinlich eine EinschrĂ€nkung der GrĂ¶ĂŸe des Subnetzes gibt. Egal wie Sie den Vers lernen, der gesamte Text wird nicht zu einem Objekt, sondern zu einer sequentiellen Aktivierung entlang der Kette.

Vorteile:

  1. ErklÀrt die Wiederherstellung von Informationen basierend auf unvollstÀndigen Daten und das Vorhandensein optischer TÀuschungen durch den Aktivierungsmechanismus des gesamten Subnetzes.
  2. -> -> -> , . , .
  3. , , .. . -> -> .
  4. UX-.
  5. SRP. , , « ». , . , , .
  6. Die Liste geht weiter.

Nachteile:

Es ist unklar, wie genau das "GefĂŒhl der IntegritĂ€t" auftritt. Woher kommt die Botschaft zu dem Teil des Gehirns, den wir als Selbst wahrnehmen, dass der andere Teil „die Gestalt geschlossen“ hat?

FĂ€lschungskriterien:
Diese Hypothese wird in den Papierkorb geworfen, wenn:

  1. Neuronen bilden keine stabilen, stark verbundenen Subnetze.
  2. Es gibt eine Möglichkeit, experimentell zu beweisen, dass die FÀhigkeit, "einzelne Objekte hervorzuheben", nicht mit der Aktivierung des Netzwerks ab dem obigen Punkt zusammenhÀngt.
  3. Es werden alle Elemente aus der Liste der "Pluspunkte" unter Verwendung weniger EntitÀten erlÀutert. Gleichzeitig sollte es auf Neuronen oder andere Objekte reduziert werden, die authentisch im Gehirn existieren.
  4. Jede andere Methode der formalen oder experimentellen Widerlegung. Logische WidersprĂŒche, nicht bestĂ€tigte Konsequenzen usw.

FÀlschungsprÀmienprogramm:

Die Hypothese nimmt an einem Belohnungsprogramm fĂŒr kritisches Denken teil: 50 USD pro Widerlegung.
ZusÀtzliche Beschreibung unter dem Spoiler unten:

Bedingungen:
50 , .
, . . , — . , (, , , ).

:
, 
, ..., , .

:
« , ?» — .
« , ...» — , - .
« ?» — , . , .
« ?» — . . .
« , , 4 »:
1 — , , .
2 — , . , .
3 — . , , , ---
 , , «» - ---.
4 — , , — . , , .

"Stark verbundene Subnetze von Neuronen" werde ich einfach "Objekte" nennen. Ich bin zu faul, um 3 Wörter zu schreiben. Alle psychologischen GedÀchtnistheorien arbeiteten genau nach diesem Konzept, und im Alltag macht es Sinn, "das zu unterscheiden, was als Ganzes unterschieden werden kann".

Subjektiv
, , — .
, , .
«» . .

Wie Sie verstehen, sind Objekte anderen Objekten zugeordnet. Wenn das Ergebnis ein Subnetz ist, das sofort aktiviert wird, gehen wir davon aus, dass wir ein neues Objekt gebildet haben. Wenn die Verbindung nicht stark genug ist oder zu viele Unterobjekte fĂŒr eine sofortige Aktivierung vorhanden sind, werde ich diese Konfiguration als "Modell" bezeichnen.

Ich schlage vor, den gesamten Satz von Objekten und die Verbindungen zwischen ihnen als Wissensdiagramm zu bezeichnen und im KDPV zu kennzeichnen.

Bild

Zusammenfassung


Wir haben uns angesehen, wie Neuronen angeordnet sind, und ihr mathematisches Modell zusammengestellt (ja, Pfeile und Kreise sind Graphentheorie). Leicht berĂŒhrt, wie die Antidepressiva und Antipsychotika im Gehirn wirken - sie regulieren die Spiegel der Neurotransmitter und beeinflussen so die Aktivierung von Neuronen (tatsĂ€chlich verĂ€ndern sie die StĂ€rke der Verbindungen). Wir lernten die Hebb-Regel (Neuronen, die sich zusammen einschalten - miteinander verbinden) und den E-LTP-Mechanismus kennen, der fĂŒr das KurzzeitgedĂ€chtnis verantwortlich ist. Wir haben uns angesehen, wie das Gehirn das Problem der Langzeitspeicherung gelöst hat - indem es die StĂ€rke der Kommunikation ĂŒber L-LTP festgelegt hat.

Basierend auf unserem Modell haben wir die Existenz von Subnetzen von Neuronen mit starken Verbindungen vorhergesagt.

Mit dieser Annahme haben wir versucht, einige der beobachteten Effekte zu erklĂ€ren: optische TĂ€uschungen, Erraten und Erraten von Objekten basierend auf unvollstĂ€ndigen Informationen, die Existenz der Empfindung von „einem Objekt“. Seltsamerweise - es stellte sich heraus. Wir konnten denselben Mechanismus verwenden, um komplexere Strukturen zu erstellen - Modelle und komplexe Objekte. Und es funktioniert auch.

Es scheint mir, dass dies ein gutes Zwischenergebnis ist, aber bisher haben wir mehr Fragen als Antworten:

  1. Warum wird der Speicher nicht "vollstĂ€ndig" genutzt? Wo ist der sofortige Zugriff auf alles, was wir wissen? Mit anderen Worten, warum mĂŒssen wir uns erinnern und wie funktioniert es?
  2. Ab wann wird L-LTP eingeschaltet und die Informationen gehen in das LangzeitgedÀchtnis?
  3. , , ? : « ?» « ?» — , .
    UPD: .
  4. , ? ?
  5. ?

Wir werden in den folgenden Artikeln darĂŒber sprechen.

PS

Wenn Sie Fragen zu einem Teil haben, kann ich in den Kommentaren etwas ausfĂŒhrlicher angeben oder einen klarstellenden Artikel schreiben. Dieser und so stĂŒtzt sich auf Longrid, um noch detaillierter zu sagen - wir bekommen ein ganzes Buch. Ich bin mir nicht sicher, ob dies dem Habr-Format entspricht.

Wenn Sie VorschlĂ€ge zum PrĂ€sentationsstil haben, freue ich mich ĂŒber diese.

Lizenz: CC BY-NC-ND 4.0

More articles:


All Articles