URSS.ru Магазин научной книги
Обложка Арбиб М. Метафорический мозг. Перевод с английского.  Серия 'Науки об искусственном' Обложка Арбиб М. Метафорический мозг. Перевод с английского.  Серия 'Науки об искусственном'
Id: 21192
808 р.

Метафорический мозг.
Перевод с английского. Серия "Науки об искусственном". Изд. 2

2004. 304 с.
  • Мягкая обложка

Аннотация

Вниманию читателей предлагается книга известного американского ученого М.Арбиба. Автор подробно рассматривает результаты двух основных направлений в кибернетическом исследовании мышления: так называемой теории искусственного интеллекта, которая обращает основное внимание на внешнее поведение объектов, не касаясь структурного аспекта, и теории конструирования роботов, где наряду с имитацией внешних проявлений поведения стараются сохранить... (Подробнее)


Оглавление
top
О серии "Науки об искусственном"
Предисловие к русскому изданию
Из предисловия автора
Часть первая . Введение
Глава 1.Мозг, поведение и метафора
 1.1.Эволюционная и кибернетическая метафоры
 1.2.Что означает "понять принципы работы мозга"?
Глава 2.Деенаправленное кодирование и нейронные сети
 2.1.Деенаправленное восприятие
 2.2.Мозг как нейронная сеть
 2.3.Отступление. Некоторые сведения о строении мозга
 2.4.Предварительная обработка зрительной информации у кошки и лягушки
Часть вторая . Теория систем и искусственный интеллект
Глава 3.Введение в теорию систем
 3.1.Состояния
 3.2.Алгоритмы
 3.3.Обратная связь
 3.4.Адаптация
Глава 4.Искусственный интеллект и конструирование роботов
 4.1.Внутренние модели и разум
 4.2.Планирование и эвристический поиск
 4.3.Анализ обстановки
 4.4.Конструирование интегрального робота
Часть третья . Теория мозга
Глава 5.Нейронная регуляция движений
 5.1.Обратная связь и спинной мозг
 5.2.Еще одно отступление. Нейроанатомия двигательной системы
 5.3.Ходьба
 5.4.Иерархическая структура управления двигательной системой
 5.5.Распределенное (distributed) двигательное управление
Глава 6.Многослойная организация памяти и восприятия
 6.1.Принципы организации
 6.2.Комплексы выходных признаков
 6.3.Преобразования и соматотопическая организация
 6.4.Голографическая метафора
Глава 7.Устранение избыточности потенциальных команд
 7.1.Модель ретикулярной формации
 7.2.Визиомоторная активность лягушки
 7.3.Некоторые точки соприкосновения
Список литературы

Предисловие к русскому изданию
top

По определению, данному еще Аристотелем, метафора – "есть перенесение имени или с рода на вид, или с вида на род, или с вида на вид, или по аналогии...". Средневековые философы считали метафору важным элементом научного мышления, позволяющим сводить непонятное и непостижимое к понятному. Жан-Жак Руссо считал, что пока ученый не располагает достаточными знаниями о предмете исследования, он вынужден прибегать к метафорам и заимствованиям из других областей науки для объяснения сути наблюдаемых явлений.

Книга, которую вы начинаете читать, называется "Метафорический мозг". Название это неслучайно. Ее автор, известный специалист в области теоретической кибернетики М.Арбиб, считает, что наши знания о структуре и функции мозга находятся еще на такой стадии, когда между нейрофизиологом, биохимиком и психологом, изучающими мозг каждый на своем уровне, нет никакого взаимопонимания. И установить это взаимопонимание, объединить экспериментальные данные разных наук в единую теорию функционирования мозга, объясняющую поведение человека, может лишь ученый, который сумеет стать выше узкоспециальных исследований и точек зрения. Такого ученого М.Арбиб называет кибернетиком, а науку, которую ему предстоит создать, – кибернетической теорией мозга.

А поскольку такую науку только предстоит создать, то естественно, что у нее еще нет сложившейся терминологии, основные понятия ее еще не вычленены и не названы, структуры и связи между понятиями еще не сформированы. Такое положение порождает необходимость обсуждать задачи и проблемы, возникающие перед исследователем, на метафорическом уровне, используя арсенал понятий, заимствованных из разных областей науки о мозге, психологии и кибернетики. Однако подобное заимствование небезопасно. Используемые понятия несут на себе отпечаток той науки, в которой они возникли, порождая у исследователя побочные иллюзии и ассоциации. Возникает стремление принимать некоторое внешнее сходство между предметами и явлениями за глубокую внутреннюю аналогию между ними. От опасности для исследователя подобных "рецидивов " неоднократно предостерегал известный специалист в области теории решения математических задач Д.Пойа. В своей книге "Математика и правдоподобные рассуждения", выпущенной и в русском переводе (ИЛ, 1957), он писал, что всякая метафора подчеркивает некоторое сходство, но не всякое сходство можно считать аналогией. Отличие аналогии от других видов метафор, по мнению Д.Пойа, определяется намерением лица, использующего метафору. Д.Пойа по этому поводу пишет: "Сходные предметы согласуются между собой в каком-то отношении. Если вы намереваетесь свести это отношение, в котором они согласуются, к определенным понятиям, то вы рассматриваете эти сходные предметы как аналогичные. Если вам удастся добраться до ясных понятий, то вы выяснили аналогию".

Именно этот процесс построения на основании подмеченного сходства и различия между мозгом и другими объектами глубоких аналогий, с помощью которых можно было бы создать фундамент метафорической теории мозга, и описан в книге М.Арбиба.

Две основные метафоры интересуют автора данной книги. Одна из них: "человек – это животное" – основана на теории эволюции биологических видов. С точки зрения этой метафоры человек рассматривается в неразрывной связи с миром животных, а его строение и поведение можно объяснить на основе богатейших данных, накопленных сравнительной биологией и теорией эволюции. Исследования, опирающиеся на эту метафору, имеют своей конечной целью создание теории мозга. Другая метафора: "Человек – это машина" – основана на использовании внешнего сходства в поведении человека и различных технических устройств; чаще всего – это сходство по результатам деятельности, а в качестве технического, машинного эталона для сравнения используется ЭВМ. Как отмечает М.Арбиб, из этой метафоры вытекают по крайней мере два различных следствия. Во-первых, подмена человека комплексом программ, реализуемых на ЭВМ, создает у многих исследователей иллюзию, что, исследуя этот комплекс, они исследуют процессы, протекающие в мозгу человека при решении аналогичных задач. Сам процесс получения человеком решения объясняется на основе весьма шаткой предпосылки о том, что одинаковость получаемых результатов свидетельствует об одинаковости процессов, приводящих к этим результатам. Во-вторых, следствием указанной метафоры является создание теории искусственного интеллекта, в которой изучение собственно человека и механизмов, лежащих в основе его интеллектуальной деятельности, отодвигается на второй план. Центральной проблемой является выяснение возможностей ЭВМ по имитации той деятельности, которую мы склонны считать творческой и интеллектуальной, когда ее реализует сам человек.

Свою основную задачу М.Арбиб видит в развитии исследований, базирующихся одновременно на той и на другой метафорах. Его целью является создание теории мозга, основанной по терминологии автора книги на "распределенных деенаправленных вычислениях в многослойных соматотопически организованных машинах". М.Арбиб считает, что для эффективной имитации деятельности человека при решении задач необходимо создать машины, структура которых отражала бы столь важные для структуры мозга принципы, как параллельность операций, иерархичность связей между ними, наличие модели собственного тела и т.п. Можно сказать, что М.Арбиб посвятил свои исследования поиску принципов организации мозга, помогающих решать те задачи, с которыми мозг повседневно сталкивается.

Мне бы не хотелось пересказывать в предисловии содержание книги. Каждый читатель сам может пройти путь, по которому ведет автор. Это путешествие не из легких и требует от читателя немалых усилий. Иначе и не могло бы быть. Для того чтобы использовать обе метафоры, лежащие в основе теории мозга, которую автор книги начинает строить, необходим синтез данных нейрофизиологии, биохимии, цитологии, теории программирования, теории организации вычислительных комплексов, психологии, лингвистики и многое другое. При этом возникают огромные терминологические трудности, ибо в таком сплаве сливаются воедино языки разных наук, столь малопонятные любому непосвященному. Однако, основываясь на своем собственном опыте, я могу с уверенностью сказать, что усилия, приложенные для преодоления этих трудностей, не пропадут впустую. Преодолев их, читатель почувствует красоту и стройность тех концепций теории мозга, которые М.Арбиб предлагает нам в третьей части своей книги.

В заключение я хотел бы сделать два замечания относительно концепции автора. Первое из них касается того, как Арбиб понимает проблему планирования интеллектуальной деятельности. В этом вопросе он, как и многие другие кибернетики, стоит на позициях, известных в психологии мышления под названием "лабиринтная гипотеза". Согласно этой гипотезе, основным элементом творческой деятельности человека является целенаправленный отбор открывающихся перед ним путей в заданном ему лабиринте возможностей. Человек как бы "видит" весь лабиринт допустимых способов поиска решения с "птичьего полета" и с помощью особого, присущего ему механизма, весьма быстро отбрасывает все бесперспективные варианты и оставляет лишь те, которые с некоторой гарантированной надежностью могут привести к успешному решению. Именно на этой основе построено большинство программ для ЭВМ, имитирующих интеллектуальную деятельность человека. В таких программах наибольшее внимание уделяется поиску методов сокращения перебора и вводятся с этой целью специальные эвристические правила. Свое логическое завершение подобный подход получил в программе Ньюэлла, Шоу и Саймона "Общий решатель задач ", о которой М.Арбиб пишет в разд. 4.2.

Однако опыт построения программ, подобных программе Ньюэлла, Шоу и Саймона, показал их принципиальную ограниченность и слабость. Несмотря на столь "общее" название "Общий решатель задач" оказался не в состоянии решать даже довольно простые шахматные задачи, не говоря уже о сложных задачах, решение которых связано с такими процессами, как рассуждение по аналогии или индуктивный вывод.

Эта неудача не случайна. Психологи уже давно экспериментально обосновали ограниченность лабиринтной гипотезы интеллектуальной деятельности. Вместо этого они выдвинули модельную гипотезу, согласно которой основным актом любой творческой деятельности человека является не поиск пути в заданном лабиринте возможностей, а порождение модели такого лабиринта, в котором с гарантированной надежностью можно найти решение. Лабиринтный же принцип играет в творческой деятельности явно подчиненную, вспомогательную роль. Поэтому в любых машинных реализациях искусственного интеллекта центральным элементом должна быть не система отбрасывания ненужных вариантов, а система порождения хороших вариантов поиска. По-видимому, только на этом пути удается преодолеть неспособность лучших эвристических программ решать широкий круг интеллектуальных задач. Отметим попутно, что порождение вариантов поиска требует для реализации: подобного процесса структурно организованной модели проблемной среды (окружающего мира), что выдвигает перед кибернетической теорией интеллектуальной деятельности много вопросов, которые в книге М.Арбиба затрагиваются лишь мимоходом либо не обсуждаются вовсе.

Второе замечание, связанное с концепцией, излагаемой в этой книге, касается некоторого умаления влияния языковой системы на интеллектуальную деятельность человека. Конечно, язык – это вторичное образование по сравнению с нейрофизиологической структурой мозга, однако, возникнув и развившись, языковая система начинает оказывать огромное влияние на формирование деятельности человека. Проблемам, связанным с языковой системой, посвящена последняя, восьмая, глава книги (четвертая часть). Рассматриваются они под весьма своеобразным углом зрения, в связи с языковым развитием ребенка. Выводы этой главы не имеют прямого отношения к общей концепции книги. Кроме того, такое сужение проблемы "язык – интеллектуальная деятельность" вообще вряд ли оправдано. По-видимому, эта тема заслуживает отдельного, глубокого рассмотрения и вряд ли ее можно анализировать столь поверхностно.

При русском переводе восьмая глава опущена. Помимо изложенных выше мотивов это было сделано потому, что она построена на материале развития речи у ребенка, овладевающего английским языком. Русскому читателю приводимые в связи с этим примеры и результаты ничего не говорят. Адекватный перевод текста на русский язык просто невозможен; в сущности надо было бы написать эту главу заново, использовав соответствующие материалы по развитию речи у русского ребенка. Однако ни переводчик, ни редактор не считали себя настолько компетентными в данной области, чтобы взяться за такую переработку материала.

Д.А.Поспелов

Из предисловия автора
top

В темном переулке наперерез прохожему бросается вор. Минутное замешательство – и мозг прохожего выбирает одно из возможных действий: бежать или сопротивляться.

На листе кувшинки сидит лягушка. В ее поле зрения появляются две жужжащие мухи, и картина электрического возбуждения, передающегося из сетчатки лягушки в мозг, изменяется. Мозг интегрально оценивает новый сигнал и выбирает одну из мух в качестве цели. Лягушка поворачивается, бросок – и одной мухой стало меньше.

В заставленной предметами комнате находится робот. Его "глаз" (телевизионная камера) снабжает его "мозг" (вычислительную машину) необходимыми данными. Машина преобразует эти входные данные в представления находящихся в комнате объектов и их локализации. Затем она намечает путь, двигаясь по которому робот может выполнить стоящую перед ним задачу, не натыкаясь ни на какие препятствия.

Мы хотим понять, как люди думают и как они управляют своим поведением. В частности, мы хотим понять, какую роль в мышлении и поведении играет мозг. В некоторых отношениях мозг человека сходен с вычислительной машиной робота, а в других он ближе к мозгу лягушки. Цель настоящей книги состоит в том, чтобы в какой-то степени разобраться в работе мозга, опираясь на две метафоры: кибернетическую – "человек – это машина" – и эволюционную – "человек – это животное ". Мы не собираемся преуменьшать различия между человеком и машиной или человеком и другими животными, но мы надеемся, что черты сходства между ними позволят нам понять многое.

Таким образом, озаглавив книгу "Метафорический мозг", мы не имели в виду, что те сведения о функционировании мозга, которые можно из нее извлечь, менее "реальны", чем содержащиеся в других книгах. Просто нам хотелось четко указать, что мы в известной мере опираемся на эти метафоры, а также уменьшить вероятность ложных интерпретаций, которые могут возникнуть из-за смешения неявной метафоры с реальностью.

Прежде чем разбирать содержание книги по главам, я хотел бы вкратце охарактеризовать принятый в ней уровень изложения. Книга в целом, хотя она отнюдь не предназначена для легкого чтения, вполне доступна всем тем, кто читает журнал Scientific American. Впрочем, мы надеемся, что материал третьей части заслуживает внимания не только "просвещенных дилетантов", но также специалистов и серьезных студентов, занимающихся кибернетикой, искусственным интеллектом или физиологической психологией. В отличие от моей более ранней книги "Мозг, машины и математика", где я пытался рассказать читателю, знакомому с современной алгеброй, о некоторых математических моделях (к сожалению, эти модели остались несколько разобщенными), полезных для кибернетического подхода к изучению мозга, настоящая книга не требует от читателя никакой математической подготовки и содержит последовательное изложение предмета. Она знакомит читателя с основами теории систем, исследованиями по искусственному интеллекту и физиологической психологии в той мере, в какой это необходимо для того, чтобы оценить предлагаемый здесь новый и целостный взгляд на работу мозга. На некоторых страницах можно встретить небольшое число формул, дающих математически подготовленному читателю более глубокое представление об излагаемом предмете, но всем другим читателям для понимания основных идей достаточно одного только текста. Поэтому они могут спокойно продолжать чтение, опуская формулы и не опасаясь, что книга окажется непонятной.

В этой книге много труда было затрачено на рисунки. Аура Лекки удалось превратить мои корявые наброски и 26 страниц, машинописи в прекрасные схемы, украсившие книгу. У меня нет слов, чтобы выразить ему благодарность за все внимание и мастерство, которые он вложил в работу. Надписи на рисунках составлены таким образом, чтобы их можно было просматривать, не обращаясь все время к тексту, это позволит читателю получить представление о книге, прежде чем начинать читать ее внимательно.

Книга разбита на четыре (четвертая часть (восьмая глава) в русском переводе опущена. (См. "Предисловие к русскому изданию".) – Прим. ред.) части.

Первая часть "Введение" открывается главой "Мозг, поведение и метафора", в которой довольно подробно освещается роль наших двух метафор и отмечается, что из кибернетической метафоры вырастают сразу два подхода: 1) работы по искусственному интеллекту, в которых разумное поведение стараются моделировать, не уделяя внимания структуре модели; 2) теория мозга, которая требует, чтобы внутренняя структура модели соответствовала строению мозга. В гл.2 читатель знакомится с проблемой, общей для обоих подходов, – с проблемой кодирования получаемой системой (будь это животное или робот) информации в форме, полезной для управления действиями системы. В частности, мы познакомимся с кодированием информации, происходящим в зрительной системе кошек и лягушек, и одновременно разъясним некоторые необходимые нейрофизиологические и нейроанатомические термины.

Во второй части "Теория систем и искусственный интеллект " уделяется мало внимания строению мозга. В гл.3, например, в общий контекст поведения активного организма или робота вводятся такие основные понятия теории систем, как состояние (выжимка из прошлого опыта), алгоритм (программа для вычислительной машины), обратная связь (позволяющая системе компенсировать непредвиденные возмущения) и адаптация (позволяющая системе изменяться во времени, обеспечивая лучшее взаимодействие с окружающей средой). Гл.4 "Искусственный интеллект и конструирование роботов" открывается рассуждениями о различных аспектах разумного поведения и подчеркивает необходимость для каждой разумной системы иметь "внутреннюю модель своего мира", на использовании которой основано восприятие внешней среды и разумное взаимодействие с ней. В остальной части главы рассматриваются программы, позволяющие машине планировать свои действия или анализировать картинки, вычленяя имеющиеся на них объекты; рассматривается также вопрос об объединении этих программ в системе управления интегрального робота.

Центральное место в книге занимает третья часть "Теория мозга". В гл.5 рассматриваются нейронные механизмы управления движением, начиная с контуров управления движением в спинном мозгу и нейроанатомии моторной системы и кончая беглым обзором множества функций, которыми приходится заниматься мозгу при управлении даже таким простым видом поведения, как ходьба. В последнем разделе этой главы рассматриваются различные схемы распределенного управления движением, напоминающие по своей организации мозг. Эти схемы создают основу для обсуждения общих принципов организации, которому посвящена гл.6 "Многослойная организация памяти и восприятия". Рассмотрение комплексов выходных признаков завершает тему деенаправленного кодирования, начатую в гл.2. Затем мы узнаем, как преобразования могут скорректировать восприятие животного в соответствии с изменениями его взаимоотношений с внешней средой, и познакомимся с голографической метафорой, помогающей понять устройство распределенной памяти. Третья часть завершается гл.7 "Устранение избыточности потенциальных команд", в которой описываются механизмы мозга, которые могли бы объяснить два типа поведения, упомянутые в начале предисловия: выбор прохожим одного из возможных типов поведения при нападении хулигана и выбор лягушкой одной из двух мух.

К написанию этой книги меня побудили главным образом идеи У.Мак-Каллока. Но кроме того, авторы многих работ, о которых я здесь упоминаю, мои личные друзья, и их идеи, а также споры с ними, не говоря уж о их печатных работах, сыграли большую роль в появлении этой книги.

Майкл А.Арбиб

Амхерст, Массачусетс, декабрь 1971 г.


О серии "Науки об искусственном"
top
Этой монографией издательство УРСС продолжает новую междисциплинарную серию книг "Науки об искусственном". Данная серия возникла по инициативе Российской ассоциации искусственного интеллекта (РАИИ). Ее основание вызвано стремлением объединить усилия специалистов различных областей – инженеров и математиков, философов и психологов, физиологов и биологов, социологов и лингвистов, программистов и системотехников – в исключительно важном деле разработки теоретических, методологических и практических основ нового класса наук, которые нобелевский лауреат Г.Саймон назвал "науками об искусственном".

Почему и как возникла идея выпуска данной серии? В последние годы происходит бурное развитие передовых информационных и коммуникационных технологий, проникновение процессов информатизации и компьютерной интеграции во все сферы жизни общества. Образуется единое мировое информационное пространство, зарождается сетевая цивилизация, основанная на знаниях. Все это обусловливает необходимость новой стратегии развития науки, опирающейся на междисциплинарные исследования. По нашему мнению, стратегическое значение междисциплинарных исследований состоит в том, что сегодня только на их основе можно обеспечить реальный прорыв в тех или иных областях знания или разработке тех или иных инновационных технологий.

Здесь следует отметить, что пока отечественные читатели не приучены к книгам междисциплинарного характера, которые требуют философских рассуждений, построены на разнородном материале и неизбежно несут в себе элементы дискуссионности. К сожалению, многие не понимают их революционной роли, предпочитая узкоспециализированную литературу или издания, написанные в стиле "руководства пользователя". Эта тенденция особенно укрепилась в последние годы. Между тем, западные, в особенности американские читатели (и, конечно, издатели) уделяют наибольшее внимание как раз междисциплинарной литературе с "налетом" философии. Именно междисциплинарные книги постановочного характера, содержащие нестандартные, неожиданные идеи и ростки оригинальных решений, могут обеспечить продвижение в неизведанные области, которые в конечном итоге породят новые технологии и обеспечат максимальную прибыль. Поэтому, книги, написанные в таком жанре, там хорошо продаются и приносят наибольшие дивиденды. Блестящим примером служит знаменитая монография М.Хаммера и Дж.Чампи "Реинжиниринг предприятий: манифест революции в бизнесе", в которой изложены основы новой философии и психологии стратегического менеджмента. Эта книга инициировала развитие мощного направления, связанного с реорганизацией процессов и формированием сетевых структур предприятий. В течение нескольких лет она занимала лидирующие позиции среди бестселлеров американского книжного рынка.

Среди междисциплинарных научно-практических областей следует, несомненно, выделить науки об искусственном, которые по многим признакам можно отнести к наукам нового поколения. Типичными представителями современных наук об искусственном являются:

  • робототехника и примыкающие к ней дисциплины, занимающиеся конструированием искусственных органов (эффекторов, рецепторов), а также синтезом искусственных движений и действий;
  • виртуалистика, предметом которой выступает создание искусственных сред (виртуальных реальностей);
  • семиотика наука о знаковых системах и их приложениях в современных процессах и средствах коммуникации;
  • нейроинформатика – наука об искусственных нейронных сетях;
  • компьютерная лингвистика – наука о естественных и искусственных языках, применяемых для обеспечения работы ЭВМ.
  • Центральное место среди этих наук занимают искусственный интеллект (ИИ) и искусственная жизнь – обобщающие научно-практические комплексы, которые, вобрав в себя наиболее ценные идеи и подходы современного естествознания, воплощают их в компьютерных системах, способных решать интеллектуальные задачи, ранее бывшие прерогативой специалистов, или действовать, используя принципы и механизмы организации живых существ. Можно предположить, что уже в первые десятилетия XXI-го века науки об искусственном выйдут на авансцену мирового развития и сформируются основы единой теории открытых, активных, неоднородных, развивающихся искусственных систем. Хотелось бы отметить, что в России накоплен многолетний положительный опыт издания подобных серий. Например, большой читательский успех имел ряд проектов издательства "Наука", таких как: "Проблемы искусственного интеллекта", "Научные основы робототехники", а особенно, популярная серия "Кибернетика – неограниченные возможности и возможные ограничения". В свою очередь, издательство УРСС также имеет хороший опыт в этой сфере: с 1996 г. оно публикует междисциплинарную серию книг "Системные исследования", позже появились интересные серии "Философы XX-го века", "Из истории логики XX-го века", "Синергетика: от прошлого к будущему" и др. Им также активно издаются монографии классиков науки, посвященные проблемам научной методологии и взаимодействия различных научных областей (например, книги К.Поппера, И.Пригожина, Р.Пенроуза и др.).

    Предлагаемая вашему вниманию серия открыта для всех, кого интересует ее проблематика. Нам хотелось бы видеть в числе ее авторов не только ученых, объединяемых в рамках Российской ассоциации искусственного интеллекта, но также представителей самых различных научных школ и движений: философов, разрабатывающих методологические проблемы виртуалистики, синергетики, развития искусственных систем; психологов, исследующих процессы познания, деятельности, общения, рефлексивного поведения, взаимодействия образных и вербальных механизмов мышления; специалистов в области лингвистики и семиотики (в особенности, тех, кто занимается компьютерной лингвистикой и объединяется вокруг известных семинаров "Диалог"); многочисленных приверженцев нейроинформатики и пока еще редких энтузиастов столь многообещающего направления как искусственная жизнь; специалистов по менеджменту, реинжинирингу, логистике, теории организаций, занимающихся разработкой и приложениями искусственных агентов и виртуальных организаций; математиков, стремящихся развивать формальный аппарат для моделирования факторов сложности, неопределенности, эволюции систем различной природы, и многих-многих других.