El cerebro es mi viejo vecino. Teniendo en cuenta cuánto tiempo pasamos y cuánto tenemos que estar juntos para no interesarnos en él, pura falta de tacto.Caminas con una caja negra dentro de la caja del cráneo, y esta caja entiende que él se da tal descripción. Esto es muy curioso. Si me hubieran dado una pieza de hierro con tales características, habría matado todo mi tiempo libre para entender cómo funciona. En realidad, estoy matando. El objeto de estudio siempre está conmigo, muy conveniente. La única lástima es que no puedes cavar adentro.El cerebro registra y procesa la información. ¿Pero cómo? ¿Por qué se almacena algo durante mucho tiempo, pero algo se olvida en un par de días? ¿Cómo se relaciona esto con las neuronas?¿Es posible, basado en información de neurobiología, construir un modelo del cerebro que proporcione un comportamiento similar al de un cerebro real?Que adivinar Solo probémoslo.DESCARGO DE RESPONSABILIDAD:No habrá una explicación completa de cómo funciona el cerebro. Esta es una breve descripción de los principios básicos. El propósito de este artículo es crear un modelo aproximado. A veces no funcionará. Pero esto es mejor que no tener ningún modelo.Podemos hacer una analogía con la fórmula de fricción en física. Se obtiene empíricamente y no es del todo exacto. Pero es lo suficientemente preciso como para hacer estimaciones y usarlo en los cálculos.Todos los enlaces a continuación son para un estudio en profundidad. No serán necesarios para leer el artículo. Y casi todo está en inglés. La Internet rusa es pobre en información relevante sobre temas de interés para nosotros.¿Dónde empezar?
Dejemos de lado los modelos de memoria de la psicología por ahora. Todas las descripciones como: "a corto plazo - a largo plazo" , "Memoria de trabajo" , "teoría de los niveles de procesamiento" , "número mágico 7 + -2" ahora solo nos confunden. Intentar comprender el cerebro con su ayuda es como tratar de adivinar el dispositivo de la computadora mirando el monitor desde debajo de la cuenta con control parental. Para nosotros, serán útiles solo después de que comprendamos los principios básicos.Iremos desde abajo y comenzaremos el camino con neuronas.Neuronas y Comunicaciones
from: wikiHay muchos tipos de neuronas. Difieren en la cantidad de dendritas utilizadas por los neurotransmisores y en un montón de otros parámetros por los cuales pueden clasificarse. No entraremos en la jungla de implementación. Vayamos a lo básico: la señalización.Si describe el proceso de manera aproximada, se ve así:1. Hay una neurona cargada que contiene iones. Cuando su carga ha cruzado el umbral de activación (hemos acumulado muchas partículas cargadas), los iones comienzan a moverse a lo largo del axón .
from: wiki2. Después de llegar al final del axón, los iones caen en la sinapsis . Los neurotransmisores se almacenan en la sinapsis, y los iones los liberan a la libertad.
desde:wiki3. A continuación hay otra neurona que tiene receptores . Aceptan neurotransmisores liberados y canales abiertos para la carga de iones de la próxima neurona. En resumen, el neurotransmisor es la clave. Una vez en el bloqueo del receptor correspondiente, abre la neurona para cargar.Sobre sustancias que están permitidas y no muy., , — .
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Una neurona puede recibir señales de varias, a través de dendritas . Y un axón se puede conectar a varias neuronas.Ahora exprimamos todo:- Una neurona puede activar y transmitir señales a otra neurona.
- Otra neurona, después de recibir una señal, se carga y se acerca a la activación.
- Una neurona puede recibir señales de varias neuronas.
- Cuando se activa una neurona, transmite una señal a todas las neuronas asociadas con ella.
O, en términos de círculos y flechas: todo
esto es muy informativo, pero ¿dónde están los datos? ¿Cómo almacenar información en las neuronas, cómo leer y cómo escribir?Almacenamiento y lectura
Para el almacenamiento y la grabación, existe un mecanismo llamado plasticidad sináptica .En los dedos, se puede explicar de la siguiente manera: las conexiones entre las neuronas tienen diferentes "fuerzas". Cuanto más fuerte es la conexión, más cargado está el receptor de neuronas cuando se activa.
Y ahora un momento que puede ser un poco difícil de entender. La fuerza de los lazos son nuestros datos. Ves este texto: esta es la activación de las neuronas en tu cerebro. El "patrón de activación" que produce en nuestra red neuronal es lo que llamamos "ver". Y también escucho, siento, imagino, recuerdo, etc. Todo esto es la activación de una secuencia específica de neuronas.En otras palabras, si encuentra en la corteza visual del cerebro una sección que se activa cuando vemos una cuchara, traiga los cables allí y corte la corriente- el cerebro verá una cuchara y no irá a ningún lado. "Veo una cuchara" = activación de neuronas en la corteza visual debido a señales de fotorreceptores en el ojo.Bienvenido al mundo real, Neo. Existe una cuchara, existen fotorreceptores, existen neuronas y todos los intentos de ver algo con un esfuerzo mental están condenados al fracaso. Aunque no, puedes cerrar los ojos.Las áreas específicas del cerebro que se activarán dependen de cómo pasan las señales a través de las conexiones. Esto está determinado por la fuerza de los enlaces.Complemente nuestra imagen: lainformación en el cerebro se almacena en forma de conexiones de diferente fuerza entre las neuronas.La lectura de esta información se lleva a cabo utilizando la activación de las neuronas. El aspecto del “patrón de activación” depende de las conexiones y su fuerza.
Cualquier persona dedicada a las matemáticas discretas reconocerá un dígrafo ponderado en esta imagen . De acuerdo, pero ¿cómo cambias la fuerza de las relaciones y escribes datos?Grabar
Existe tal cosa, llamada la teoría de Hebb , o la regla de Hebb: lasneuronas que se activan juntas, se conectan entre sí. (Neuronas que se disparan juntas, conectadas juntas).En el nivel inferior, esto es proporcionado por el mecanismo E-LTP (Potenciación temprana a largo plazo o LTP1).Se puede reformular de la siguiente manera:si activamos una neurona y la siguiente se activa después, la conexión se fortalecerá.
Debido al hecho de que podemos activar las neuronas cerebrales desde el exterior, por ejemplo usando la visión o la audición, podemos registrar información sobre ellas. Se activarán juntos, la fuerza de la comunicación cambiará. La próxima vez, se puede obtener información activando el comienzo de la "cadena" de lazos fuertes.Pero no es tan simple. El problema es que tendemos a olvidar algo. Y esto significa que las relaciones no solo se fortalecen, sino que también se debilitan. Y al mismo tiempo, la degradación de las relaciones ocurre de manera desigual, algunas de ellas se vuelven más delgadas y otras, duran mucho tiempo. ¿De qué otra manera explicar el hecho de que no recuerdo el examen de química en el grado 11, pero recuerdo mi cumpleaños en el mismo período?Puede crear un sistema complicado de bucles cerrados de activación y obtener una conexión mantenida constantemente. Pero el cerebro real tiene un método mucho más simple, se llama Potenciación tardía a largo plazo , o L-LTP.En lugar de mantener la comunicación a través de una activación constante, el cerebro simplemente captura su estado actual.De acuerdo, con "solo" fui demasiado lejos. Hay estudios a favor del hecho de que el proceso se inicia utilizando la síntesis de proteínas especiales . Hay otros estudios que afirman que la inhibición de la síntesis de proteínas no afecta a L-LTP. Después de leer sobre esto, llegué a la conclusión de que nadie duda de la hipótesis de arreglar el estado durante un largo período. Pero no pude entender los detalles del proceso.Afortunadamente, en nuestro mundo simple de flechas y círculos, estos detalles no lo son. Por ahora, solo recordamos que las conexiones pueden mantener el estado y no debilitarse con el tiempo.
Resumen
Resumamos los resultados provisionales de nuestra breve excursión al mundo de la neurobiología:- Hay neuronas En nuestra foto son bolas. Acumulan una carga y se activan cuando supera un cierto umbral.
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Si está interesado en un modelo neuronal más preciso y una lista de las diferencias características de las neuronas biológicas de sus modelos en el ANN, consulte este artículo . Como parte de esta publicación, describí solo lo que necesitaré en el futuro.Esta parte del estudio tomó 4 meses. Leí artículos y descubrí docenas de términos oscuros para mí, me metí en las áreas equivocadas y encontré información desactualizada sobre mi pregunta.Elevar a mismo nivel. Subredes y objetos
Tenemos un modelo de los procesos que ocurren en el cerebro con neuronas. Desafortunadamente, no tenemos una descripción detallada de las estructuras más grandes, "subredes" de nuestro cerebro. Pero tenemos una base sobre la cual construirlo usted mismo. Ahora realizaremos experimentos y recopilaremos información sobre el comportamiento del cerebro. Y luego, sobre la base del modelo base, construiremos una explicación de los resultados experimentales. Si lo construimos correctamente, no solo explicará lo que ya sabemos, sino que también predecirá los resultados de más experimentos.Lo primero que noté fue que tenemos el concepto de un objeto. O el todo. Bueno, en general, todo lo que puede considerarse números naturales: mesas, sillas, casas, árboles, hojas, cerebros ... Al cerebro claramente le gusta este concepto, es intuitivo. Pero sabemos que el mundo no consiste en objetos, tal como los vemos. El monitor desde el que está leyendo este texto no es un objeto sólido. Podemos dividirlo en sus componentes. Tiene píxeles, hay un marco ... Rompiéndolo más, llegaremos a moléculas y átomos. Pero los átomos y las moléculas tampoco son un todo, están compuestos de otras partículas.Pero, ¿por qué al cerebro realmente le gusta el concepto de partícula? En serio, la mejor manera de romperlo ru es conseguir ru tareas no se expresan en números enteros ru para ser procesados .Y pensé: ¿y si la existencia de la percepción del objeto del mundo se explica por la estructura misma de nuestra red neuronal? ¿Qué sucede si "objeto" es una palabra que describe la activación de un área conectada? Esto explica por qué percibimos una silla o una mesa como un todo: tienen un contorno que destaca sobre el fondo general. ¿Quizás esto provoca la activación simultánea de una subred completa en la corteza visual?Del mismo modo, se pueden reconocer palabras y letras. Para simplificarlo mucho, en nuestra imagen se verá así:
formulé una hipótesis: hay áreas en el cerebro con fuertes conexiones entre las neuronas. Su activación da una sensación de "integridad" o "presencia de un objeto". Ahora necesita verificar su resistencia.La primera consecuencia que se puede obtener es que si tenemos una subred fuertemente conectada, entonces se activa incluso con información incompleta . Debemos poder completar independientemente el patrón familiar. Y viceversa: si no existe dicha plantilla, el cerebro no podrá restaurarla. Aquí me encontré con un par de artículos interesantes sobre ilusiones ópticas y problemas técnicos en el procesamiento de la información por visión. Aqui esta uno de ellos. También pasé mucho tiempo obligando a mis amigos y colegas a completar cuestionarios con letras faltantes. Dividí las palabras con omisiones en 3 categorías:- Conceptos generales.
- Términos especiales que conoce la persona sometida a la encuesta.
- Términos especiales de un área estrecha desconocida para el sujeto.
Por ejemplo, les di a colegas a los programadores un cuestionario que incluía palabras cotidianas, como "tablas" y "sillas", palabras del dominio de TI, como " patrones " y " tablas hash ", y palabras del campo de la biología y la genética, como " poliadenilación " o " monofosfato de adenosina ".Resultó que la gente llena con éxito los espacios en blanco con palabras conocidas y no puede hacer esto con extraños. Esto estaba de acuerdo con lo que leí en otras fuentes y con mi hipótesis.Para la audiencia, esto también funcionó. Las personas reconocieron perfectamente el habla que les era familiar, incluso con una mala señal, pero no pudieron hacer frente si se encontraban con un patrón desconocido.Si tiene una pregunta sobre el formato: ¿Por qué demonios revisó usted mismo las cosas obvias?, , , , . , . , — .
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. Probé mi suposición durante 3 meses y funcionó sorprendentemente bien.Envía una plantilla fuertemente conectada a la entrada: la gente dice que evoca un sentido del todo, defínalo como 1 objeto. Rompiendo el orden, tratando de crear un patrón de activación diferente: el todo se divide en partes y se convierte en varios objetos.Por ejemplo: "Campos", "Teoría", "Unificado" / "Unificado", "Teoría", "Campos" (Intenté encontrar un ejemplo en ruso durante 7 minutos. ¿Quién inventó para sincronizar la percepción de las palabras a través de su forma? Con el inglés todo es más fácil: Relatividad especial / Relativity Special, Einstein Field Equations / Field Equations Einstein)Así que llegué a la Hipótesis 1 :Hay redes de neuronas fuertemente conectadas en el cerebro. La activación de dicha red da lugar a una sensación de "un objeto" o "todo". Escribir nuevos objetos en la memoria ocurre mediante la creación de una nueva área fuertemente conectada.En otras palabras, creo que la capacidad de distinguir entre objetos es proporcionada por la conectividad y el retraso de la activación.PD:Haré una reserva de que es muy probable que haya una restricción en el tamaño de la subred. No importa cómo aprenda el versículo, el texto completo no se convertirá en un solo objeto, será una activación secuencial a lo largo de la cadena.Pros:- Explica la recuperación de información basada en datos incompletos y la existencia de ilusiones ópticas, a través del mecanismo de activación de la subred en su conjunto.
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- La lista continua.
Contras:no está claro exactamente cómo aparece el "sentido de integridad". ¿De dónde viene el mensaje a la parte del cerebro que percibimos como Sí mismo y que la otra parte "cerró la gestalt"?Criterios de falsificación:esta hipótesis será arrojada a la basura si:- Las neuronas no forman subredes estables y altamente conectadas.
- Hay una manera de probar experimentalmente que la capacidad de "resaltar objetos individuales" no está relacionada con la activación de la red desde el punto anterior.
- Habrá una explicación de todos los elementos de la lista de "más", utilizando menos entidades. Al mismo tiempo, debe reducirse a neuronas u otros objetos que existen auténticamente en el cerebro.
- Cualquier otro método de refutación formal o experimental. Contradicciones lógicas, consecuencias que no están confirmadas, etc.
Programa de recompensas de falsificación:la hipótesis participa en un programa de recompensas de pensamiento crítico: $ 50 por refutación.Descripción adicional debajo del spoiler a continuación:Condiciones:50 , .
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"Subredes de neuronas fuertemente conectadas" llamaré simplemente "objetos". Soy demasiado vago para escribir 3 palabras. Todas las teorías psicológicas de la memoria operaron precisamente sobre este concepto, y en la vida cotidiana tiene sentido "aquello que se puede distinguir como un todo".Subjetivamente, , — .
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Como comprenderá, los objetos están asociados con otros objetos. Si el resultado es una subred que se activa instantáneamente, asumiremos que hemos formado un nuevo objeto. Si la conexión no es lo suficientemente fuerte o hay demasiados subobjetos para la activación instantánea, llamaré a esta configuración un "modelo".Propongo llamar a todo el conjunto de objetos y las conexiones entre ellos el Gráfico de conocimiento y designarlo en el KDPV.
Resumen
Observamos cómo se organizan las neuronas y compilamos su modelo matemático (sí, las flechas y los círculos son teoría de grafos). Se tocó ligeramente cómo funcionan los antidepresivos y los antipsicóticos en el cerebro: regulan los niveles de neurotransmisores y, por lo tanto, afectan la activación de las neuronas (de hecho, cambian la fuerza de las conexiones). Aprendimos sobre la regla de Hebb (las neuronas que se activan juntas, se conectan entre sí) y el mecanismo E-LTP, que es responsable de la memoria a corto plazo. Observamos cómo el cerebro resolvió el problema de la memorización a largo plazo, al arreglar la fuerza de la comunicación a través de L-LTP.Según nuestro modelo, predijimos la existencia de subredes de neuronas con fuertes conexiones.Usando esta suposición, tratamos de explicar algunos de los efectos que observamos: ilusiones ópticas, adivinar y adivinar objetos basados en información incompleta, la existencia de la sensación de "un objeto". Por extraño que parezca, resultó. Pudimos usar el mismo mecanismo para componer estructuras más complejas: modelos y objetos complejos. Y también funciona.Me parece que este es un buen resultado intermedio, pero hasta ahora tenemos más preguntas que respuestas:- ¿Por qué la memoria no se usa "completamente"? ¿Dónde está el acceso instantáneo a todo lo que sabemos? En otras palabras, ¿por qué tenemos que recordar y cómo funciona?
- ¿En qué punto se enciende L-LTP y la información pasa a la memoria a largo plazo?
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Hablaremos de ellos en los siguientes artículos.PD:si tiene alguna pregunta sobre alguna parte, puedo decir algo con más detalle en los comentarios o escribir un artículo aclaratorio. Este se basa en Longrid, para decir aún más en detalle: obtenemos un libro completo. No estoy seguro si esto coincide con el formato Habr.Si tiene alguna sugerencia sobre el estilo de presentación, me complacerá escucharla.Licencia: CC BY-NC-ND 4.0