Моделирование механизмов функционирования сознания

1З
УДК 004.8
А.С. Звенигородский
Донецкий государственный институт искусственного интеллекта, Украина
Моделирование механизмов
функционирования сознания
В статье рассмотрен механизм функционирования сознания как последовательно-параллельное
взаимодействие нейрофизиологических процессов, связанных с информационными процессами в
сознании. Выделен особый управляющий процесс, имеющий черты «Я» и осуществляющий синхронизацию параллельных процессов мышления во времени, реализующий одну из целей сознания – выживание посредством сбалансирования суммарной активности группы процессов и отдельных процессов через механизм «удовольствие/неудовольствие» и «усиление/торможение».
При создании систем искусственного интеллекта, подобного интеллекту человека, возникает проблема конструктивного определения понятия «интеллект», которое можно взять за основу для моделирования интеллекта в виде технической системы. Среди более полутора сотен определений интеллекта наиболее конструктивным
представляется определение интеллекта как совокупности универсальных процедур,
позволяющих на сознательном уровне строить конкретные алгоритмы решения частных творческих задач [1]. Под универсальными процедурами будем понимать процессы обработки информации и процессы извлечения знаний. «Сознательный уровень», или сознание, в этом определении подразумевает, что упомянутые выше
процессы согласуются между собой некоторой системой, преследующей определенную цель или набор целей. Из определения следует, что сознание является первичным по отношению к интеллекту. Поэтому задача моделирования интеллекта существенно упростится, если будет решена задача моделирования сознания. В данной
статье рассматриваются возможная структура управления процессами, связанными с
сознанием и мышлением, и способами их моделирования. Задача исследования – на
основе фактов смежных дисциплин предложить структуру функционирования созания с возможностью реализации средствами вычислительной техники.
Структуры функционирования сознания
Из большого многообразия структур сознания и схем его функционирования,
предлагаемых специалистами компьютерных наук, выделяются три наиболее часто
встречающиеся структуры. Первая – блочная с жесткими связями между блоками [1].
Вторая – иерархическая. На первом уровне находятся сенсорные системы (органы
чувств), на следующем – системы восприятия, далее символьные и т.д. Третья – сознание – представляется как множество (сообщество) независимых интеллектуальных
агентов [2] или процедур-состояний [3], взаимодействие между которыми является результатом функционирования сознания. В [4] представлена система, которая совмещает в себе черты блочной, иерархической и многоагентной систем.
«Штучний інтелект» 3’2004
69
Звенигородский А.С.
1З
В упомянутых структурах основное внимание уделяется тому, что, по сути,
происходит в сознании. При этом предполагаемые процессы, участвующие в
мышлении, имеют разную сложность, специфические форматы информации, в то
время как структура нервной ткани коры головного мозга однородна и процессы,
протекающие в ней, имеют одну и ту же природу.
Кроме этого, блочные структуры слабо учитывают параллельность протекания процессов и элементы случайностей в них. В мультиагентных системах слабо
проработаны вопросы синхронизации в принятии решений и каждый агент сам
является «сознанием в миниатюре». И последний штрих: практическая реализация предлагаемых структур крайне незначительна.
Поэтому представляется необходимым взглянуть на проблему компьютерного моделирования сознания с новой точки зрения и начать с того, что нам известно о нем.
Факты и феномены сознания
Первый общеизвестный факт нейрофизиологии – физиологические и мыслительные функции человека связаны с определенными ограниченными областями коры
головного мозга. В этих областях в сознательном состоянии фиксируется увеличение
электрической активности нейронов при решении соответствующих задач. Функции,
связанные с сенсорными системами и распознаванием образов в пространстве этих
сенсоров, локализованы, т.е. их местоположение в коре головного мозга одинаково у
всех людей. Функции, которые приписываются только человеку и связаны с логическим мышлением, понятийным мышлением, языком, не имеют постоянного расположения и у разных людей расположены в разных местах коры головного мозга.
Второй существенный для нас факт – в мыслительном процессе сознание в каждый момент времени направлено на одну или несколько мыслей или объектов, и
эти мысли (объекты) сменяют друг друга. Очередность смены этих объектов в сознании, с одной стороны, носит случайный характер (я не могу предсказать, какая
мысль придет мне в голову в следующий момент), с другой стороны, мысли или состояния, связанные с угрозами и опасностями для организма, занимают сознание без
очереди, известны также навязчивые мысли. При размышлении человек часто закрывает глаза, стремится уменьшить акустический внешний шум, чтобы сознание меньше отвлекалось на зрительные и звуковые образы. С другой стороны, когда зрительный образ важен, то сознание больше концентрируется на нем, чем на других
процессах.
Третий факт – существование в сознании ментальных состояний, таких, как
горе, убеждения, страх, удовлетворение и т.д. Природа этих состояний до сих пор
вызывает споры у философов [5]: являются ли они биологическими или нет? В
пользу биологической природы говорит тот факт, что эти состояния могут вызываться химическими веществами и другими физическими процессами и, по всей
видимости, являются продуктами эволюции. Другими словами, эти состояния являются следствием нейрофизиологической активности областей коры головного
мозга, которая, как и в первом случае, зависит от физических причин и от информационных процессов сознания.
Четвертый факт – это присутствие в сознании сущности под названием «Я».
В данной работе не будем рассматривать «Я» как философскую категорию личности [6], а зададим более простые вопросы: кто анализирует зрительные картинки,
70
«Искусственный интеллект» 3’2004
Моделирование механизмов функционирования сознания
1З
кто слышит звуки, кто чувствует боль и удовлетворение? Ответ один: их чувствует «Я». Мое или Ваше.
С «Я» также связано время и такие состояния, как «Я в прошлом», «Я в настоящем», «Я в будущем» и др. Эти состояния нельзя отнести ни к мыслям, ни к ментальным состояниям. Имеют ли эти состояния физическую природу? С нашей точки зрения,
имеют и могут выступать в роли нейрофизиологических процессов мозга, но без «Я», в
виде опять же активности областей коры головного мозга или процессов: «прошлое»,
«настоящее», «будущее». Известно, что человек может забыть прошлое или не помнить, что произошло минуту назад, но при этом «Я» не нарушается. Указанные выше
особенности «Я» и связь сознания со временем позволяют говорить об особом статусе
нейрофизиологического процесса «Я» в сознании по сравнению с рассмотренными ранее процессами. В пользу этого особого статуса говорит тот факт, что до настоящего
времени нейрофизиологи не нашли в мозге области, которая отвечает за «Я».
Пятый факт – усиление/торможение активности нейронов – связан с процессами
внутри областей нервной ткани, отвечающих за функции сознания и получение удовлетворения (платы) или наказания (дискомфорт) за решение задачи, роль которых в
моделировании интеллекта достаточно подробно исследована в [7]. На основе этих категорий могут быть определены цели функционирования процессов, условия их активизации и сам процесс функционирования, абстрагированные от сути процесса.
Шестой факт – дискретность функционирования сознания во времени
(в большей мере это относится к принятию решений). Многие исследователи называют цифры 10 … 30 мс. как минимальное время, необходимое на обработку
информации (принятия решения) и подачу управляющих сигналов в моторную
систему. Эта дискретность, возможно, связана с тем, что сознанию для достижения своей основной биологической цели – выживания тела – необходимо функционировать в реальном времени и за приемлемое время реагировать на множество ситуаций или комбинаций активности нейрофизиологических процессов.
Седьмой факт – параллельная обработка информации разными участками
мозга и последовательный процесс рассуждений при принятии решений. О параллельной обработке информации говорят результаты электроэнцефалографии –
электрическая активность мозга наблюдается одновременно по всей коре головного мозга. Следует отметить, что в каждый момент времени сознание направлено всего на один или несколько процессов. В подтверждение этого говорят «магические числа» 4 ± 1 и 7 ± 2, полученные в результате экспериментальных
исследований [3] и показывающие, что испытуемые были способны одновременно осознавать число состояний, ограниченное этими диапазонами.
Восьмой факт – информация в сознании представлена в виде образов, т.е.
существует обработка образов.
Концепции моделирования сознания
Сознание человека тесно связано с телом: мозгом, нервной системой, моторной
системой, системами жизнеобеспечения и обмена веществ. Необходимость в энергообеспечении, обмене веществ, воспроизводстве тела конституирует присутствие в сознании процессов для решения этих задач. Эти задачи необходимо решать с учетом
внешней среды, которая воспринимается сенсорными системами. Сенсорные системы
являются основой для моделирования сознанием внешнего физического мира, законы
которого со временем не меняются. В сознании внешний физический мир является
виртуальным, т.е. таким, в котором объекты внешнего мира представлены объектами-
«Штучний інтелект» 3’2004
71
Звенигородский А.С.
1З
образами, символами или еще как-то (вопрос все еще остается открытым). Сознание
конструирует виртуальный мир, выделяя объекты и устанавливая через когнитивные
процессы связи между ними. Сознание животных, очевидно, тоже способно конструировать виртуальный физический мир. Но сознание человека отличается от сознания
животного тем, что способно конструировать множество виртуальных миров и самоосознавать себя в них. Примеры виртуальных миров: музыка, наука, высокая мода,
чемпионат Украины по футболу и т.д. Эти миры некоторыми людьми воспринимаются не менее реально, чем физический. В этих мирах роль тела сводится только к восприятию информации через сенсорные системы. В указанных мирах снимается проблема выживания тела и все, что с ней связано. Учитывая высказанные замечания,
выделим два направления по созданию искусственного сознания:
– физическое моделирование тела, носителя сознания, которое включает сенсорные системы – зрительную, слуховую и др., моторную систему для механического воздействия на внешний мир, моделирование физического мира и
моделирование виртуальных миров;
– моделирование виртуальных миров, требующих только каналы для поступления информации и канал для воздействия на виртуальный мир (в некоторых
мирах такой канал может отсутствовать).
Так как эволюционно способность сознания конструировать не физические
виртуальные миры появилась позже, чем конструирование виртуального физического мира, то можно предположить, что механизм функционирования сознания в этих
виртуальных мирах отличается от функционирования в физическом мире незначительно. Второй подход проще и обещает более быстрое решение, чем первый. В этом
подходе искусственное сознание будет в дальнейшем собеседником человека и помощником, в первом варианте оно может стать конкурентом в физическом мире.
Второй подход, при успешном решении, позволит продвинуться и в первом подходе.
Проблема онтологии сознания пока не решена. Продвижением на пути решения этой проблемы может быть разработка механизмов функционирования сознания
без выяснения на первом этапе, что по сути представляют информационные процессы сознания. Для этого рассмотрим концепции, которые можно положить в основу,
принимая во внимание рассмотренные факты и феномены сознания.
Концепции функционирования сознания
Определим сознание как механизм согласования активности процессов мозга
для достижения сбалансированности процессов и суммарной сбалансированности
процессов.
В основу построения схемы функционирования положим следующее:
– сознание представляется как совокупность информационно-физических процессов, протекающих параллельно;
– процесс имеет физическую основу для хранения информации об образах и выполнения над ней операций ассоциативного поиска, сравнения и выделения атрибутов;
– координирование активности этих процессов производит специфический
управляющий процесс или «Я»;
– целью функционирования «Я» является приведение суммарной активности
процессов к некоторому балансу, а каждый отдельный процесс – к номинальному уровню через организацию информационного обмена между процессами
в реальном времени (синхронизацию) и механизм усиления/торможения и получения удовольствия/неудовольствия.
72
«Искусственный интеллект» 3’2004
Моделирование механизмов функционирования сознания
1З
Процессы классифицируются следующим образом:
зависимые от сознания (создаются и развиваются под управлением сознания,
активизируются сознанием);
– частично зависимые (активизируются сознанием, активизируются спонтанно
или в результате физико-химических процессов в нервной ткани);
– независимые (связаны с сенсорными системами тела, активизируются внешней средой).
Жесткой электрической связи между информационными процессами мозга нет,
кроме сенсорных систем, обмен информации происходит через управляющий процесс.
Сбалансированность между процессами нарушается активностью процессов,
связанных с сенсорными системами, воспринимающими внешний мир и органы
тела, а также процессами, связанными с ментальными состояниями, такими, как
убеждения, желания, страх, счастье и т.д. Последние активизируются спонтанно
или управляющим процессом сознания.
Каждый процесс имеет механизм памяти, где хранятся и записываются данные об образах, и процесс выполняет действия по выделению образов на своем
сенсорном поле. Есть координирующий процесс, который принимает решения о
дальнейшем хранении образов в каждом процессе. Есть процесс, который запоминает последовательность состояний координирующего процесса, и есть процессы, детальная роль которых прояснится на этапе практической реализации
системы искусственного сознания.
–
Принципы функционирования сознания
Функционирование сознания представим в виде некоторого координирующего процесса, который одновременно охватывает и удерживает один, два и более параллельных процессов в течение 10 … 30 мс., а потом практически мгновенно перемещается на другие процессы. Во время этого удержания процессы
обмениваются информацией (результатами) и управляющий процесс сам производит определенную обработку этих результатов. Порядок перемещения будет
определять последовательность мыслей. Одно такое состояние будем называть
текущим состоянием сознания. Следующее состояние зависит от закона случайного выбора, активности жизненно важных процессов и активности неудовлетворенных процессов. Случайность необходима для того, чтобы избежать зацикливания на одном процессе, реализации метода проб и ошибок для процесса обучения
и решения новой задачи, аналогов которой еще не было.
Координирующий процесс осуществляет также синхронизацию мышления
во времени. Функция перехода в следующее состояние однозначно не определена,
но имеет элемент случайности и зависит от текущей активности процессов.
Биологически функционирование координирующего процесса можно представить как еще не открытое специфическое возбуждение нейронов или их переход в
состояние, подобное неравновесным процессам, когда в обычном состоянии молекулы, расположенные далеко друг от друга, независимы, но в неравновесном состоянии
оказываются связанными. Это состояние локально охватывает нервные ткани коры
головного мозга, при этом информация от нейронов одного процесса переходит к
нейронам другого процесса без использования нервных импульсов, т.е. туннельным
способом, или практически мгновенно. Это особое состояние нейронов вызывается в
нервной ткани при достижении определенной активности процессов, связанных с
сенсорными системами. Назовем эти условия условиями бодрствования или активи-
«Штучний інтелект» 3’2004
73
Звенигородский А.С.
1З
зации сознания. При уменьшении активности этих процессов происходит потеря
сознания или наступает сон. При нарушении функционирования этих процессов в
результате механического воздействия (сотрясение), химического воздействия (отравление) или превышения порога активности (болевой шок) происходит потеря сознания. При восстановлении активности вышеназванных процессов до номинального
уровня происходит восстановление сознания. Толчком для восстановления обычно
является активность сенсорных систем: яркий свет, громкий звук, прикосновение,
резкий запах, т.е. активность сенсорных систем.
Процессы, которые связаны с логическим мышлением, распознаванием,
располагаются в произвольных местах коры головного мозга, потому что не являются врожденными, а под действием случайности в переключении координирующего процесса формируются в тех местах, где находился координирующий
процесс, когда принимал решение о создании нового процесса.
Программная реализация
Координирующий процесс представим как программу или разновидность операционной системы, которая управляет процессом искусственного мышления, одновременно взаимодействуя с несколькими процессами. В отличие от операционных
систем современных компьютеров эта операционная система не только распределяет
вычислительные ресурсы между задачами, но и влияет на результаты этих задач. Это
влияние выражается в том, что в каждый конкретный момент процесс должен иметь
результат, и этот результат должен быть наилучшим среди всех результатов, полученных до момента обращения к процессу управляющего процесса. Процессы сознания будем моделировать как отдельные программы, которые выполняются параллельно или псевдопараллельно, если используется один компьютер.
В операционных системах реального времени обмен информацией между процессами происходит через общие области памяти или файлы. При таком механизме
обмен информацией между процессами фактически выполняется мгновенно.
Наиболее перспективным представляется использование объектно-ориентированного подхода, особенно для программного моделирования процессов сознания.
Управляющий процесс при этом выступает как операционная система, к которой остальные процессы посылают запросы на прерывания; к остальным процессам управляющий процесс обращается принудительно при отсутствии этих запросов.
Среди процедур управляющего процесса выделим следующие: таймер как
подсчет переключений при постоянном среднем времени выполнения процесса
служит для синхронизации во времени; карту связей процессов; форматы информации процессов (предполагается, что число этих форматов будет невелико).
Особенности процессов:
– имеют память образов;
– способны выполнять действия над образами (ассоциативный поиск, сравнение, запоминание, выделение атрибутов);
– атрибуты затем становятся основой новых образов;
– механизм удовлетворения/неудовлетворения;
– новые процессы спонтанно появиться не могут;
– они создаются сознанием при невозможности решить задачу на основе существующих знаний;
– во время концентрации сознания на объекте сознание сбрасывает в них новые
знания.
74
«Искусственный интеллект» 3’2004
Моделирование механизмов функционирования сознания
1З
Заключение
В моделировании сознания человека большое внимание уделяется моделированию мыслительных и интеллектуальных процессов, связанных с телом, что
значительно усложняет практическую реализацию в виде программ или роботов.
В то же время человек живет не только в физическом мире, но и в множестве других миров, которые создало и создает его сознание. Эти миры в основе своего
функционирования имеют ту же природу, что и процессы, связанные с физическим миром, потому что реализуются в одном и том же теле в коре головного
мозга. Отсюда, моделирование сознания можно начать с моделирования одного из
виртуальных миров, и затем полученные результаты перенести на моделирование
сознания человека в полном объеме.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Шевченко А.И. Актуальные проблемы теории искусственного интеллекта. – Київ: ІПШІ
«Наука і освіта», 2003. – 228 с.
Minsky M. The Society of Mind. – Simon and Schuster, New York, 1986.
Samsonovich A.V., Kenneth A.J. The Conscious Self: Definition of a Computational Framework for
Meta-Cognitive Systems. Brain, Mind and Consciousness. – CA: University Press, 2002.
Sloman A., Chrisley R. Virtual Machines and Consciousness // Journal of Consciousness Studies. –
2003. – Vol. 10, № 4-5.
Searle J. The Rediscovery of the Mind. – Cambridge, MA: MIT Press, 1992.
Новейший философский словарь. – 2-е изд., переработ. и дополн. – Мн.: Интерпрессервис:
Книжный Дом, 2001. – 1280 с.
Амосов Н.М. Алгоритмы разума. – К.: Наукова думка, 1979. – 221 с.
А.С. Звенигородський
Моделювання механізмів функціонувания свідомості
У статті розглянуто механізм функціонування свідомості як послідовно-паралельна взаємодія
нейрофізіологічних процесів, пов’язаних з інформаційними процесами у свідомості. Виділений
особливий керуючий процес, що має риси «Я» і здійснює синхронізацію паралельних процесів мислення
у часі, реалізує одну із цілей свідомості – виживання за допомогою збалансування сумарної активності
групи процесів і окремих процесів через механізм «задоволення/незадоволення» та «підсилення/гальмування».
Статья поступила в редакцию 09.08.2004.
«Штучний інтелект» 3’2004
75