Глобальное моделирование мозга. Мозг анимата
реклама
Группа «аниматы» Проект «Мозг земляного червя» Проблемный вопрос группы Какое строение должна иметь искусственная система, имитирующая поведение простого животного? Цель проекта Создание теоретической модели нервной системы простого животного (земляного червя) Основополагающий вопрос проекта Может ли человек создать червя? Проблемные вопросы проекта Как устроена нервная система земляного червя? Нужен ли мозг земляному червю? Из каких нейронов состоит нервная система земляного червя? Какие задачи должна решать модель нервной системы земляного червя? Учебные вопросы проекта Какую модель нейрона можно использовать для создания модели нервной системы червя? Сколько искусственных нейронов, синапсов и нейромышечных соединений необходимо для создания модели? Какой должна быть архитектура модели, чтобы реализовывать функции прототипа? Какие типы информационных процессов должна решать модель? Как подобрать оптимальное количество нейронов и слоев нейросети для реализации модели? Проблема исследования При каких условиях возможно создание модели строения и функционирования нервной системы земляного червя? Гипотеза исследования Создание модели строения и функционирования нервной системы земляного червя окажется возможным, если: его нервная система имеет жесткую генетически запрограммированную структуру; имеет набор заданных неизменяемых алгоритмов возможного поведения; преобладает прямолинейная направленность нейронных контуров без связей контуров друг с другом; управляющие моторные сигналы преобладают над сигналами обратной связи План исследования Изучить базовые проекты моделирования нервной системы: Проект В.Г. Редько «Мозг анимата» http://www.keldysh.ru/pages/mrburweb/publ/kol2.htm Проект Г.Н. Рапопорта и А.Г. Герца «Биологический и искусственный интеллекты» http://www.chaconne.ru/viewitem.php?id=2305691 План исследования 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Изучение организации мозга земляного червя Составление модели реализуемых прототипом стратегий поведения Определение модели нейрона Обзор архитектур слабоинтеллектуальных систем, поиск модели, соответствующей прототипу Детализация модели, создание алгоритма поведения. Построение нейросети для реализации модели. Тестирование и оптимизация сети. Особенности нервной системы земляного червя Простейшая нервная система в природе Содержит 302 нейрона, ок. 5000 синапсов и 2000 нейромышечных соединений Нейроны простые, двуполюсные, синапсы стабильные в течение жизни 95% сигналов – прямые сенсомоторные, остальные 5% контуры обратной связи Жесткая генетическая предопределенность всех нейропроцессов, диапазон обучения – в пределах, заданных генетически Комментарий: непредусмотренные в готовых алгоритмах ситуации и модели поведения могут запоминаться, но только в генетической памяти через отбор мутаций Организация нервной системы Большая часть нейронов располагается в голове (условно - мозг) Рабочая единица - нейроколонка – автономная группа, принимающая решение самостоятельно, соседним группам передается сигнал в виде готового решения Количество нейронов в нейроколонке в литературе не описано (для сравнения – у человека ок. 100 нейронов в колонке) Контуры обратной связи есть только внутри колонки, не распространяются вовне Типы соединений: Нейромышечные Нейросменсорные: Химические сенсоры Тепловые сенсоры Тактильные сенсоры Типы узлов: сенсорные и сенсомоторные Решаемые задачи Нервная система земляного червя принимает решения на основании заданных генетически стереотипных ситуаций Генетически задано 175 нервных процессов, определяющих поведение в следующих ситуациях: Изменение химического состава окружающей среды Изменение состава почвы Изменение температуры Вибрация окружающей среды Солнечный свет Уменьшение влажности Полная или частичная замена среды водой, дождь и др. Модель Нейрон: предполагаем возможным использование модели Мак-Каллока и Питса Модуль: 3-слойная нейронная сеть, по 10 нейронов в каждом слое, всего в сети 284 синапса Функция амплитуды сигнала: сигмовидная Выберем 6 основных узлов и модулей, принимаемых решения в основных ситуациях Модель Поскольку количество процессов в моделируемой системе, хотя и ограниченно, но все же велико, выберем 6 основных узлов и модулей, принимающих решения в основных ситуациях: А – пища В – вибрация С – свет D – тепло (Т в пределах нормы) Е – жарко (Т выше нормы) F – вода (частичная замена среды водой) Комментарий: узлы D, E являются взаимосвязанными, поэтому в процессе обучения правильно построенная нейронная сеть должна оптимизировать модель Команды: 0 - поведение не меняется 1 – есть 2 – ползти вниз 3 – ползти в противоположную сторону Схема соподчинения модулей и принятия решений (файл данных для обучения нейронной сети) А (пища) В (хищник) С (свет) D (тепло) Е (жарко) F (вода) Ответ 1 1 0 0 1 0 0 1 2 0 1 0 1 0 0 3 3 1 1 1 0 0 0 3 4 1 0 1 1 0 0 2 5 0 1 1 0 1 0 3 6 0 0 1 0 1 0 2 7 1 0 0 0 1 0 2 8 0 1 0 1 0 1 3 9 0 0 0 1 0 0 0 10 1 0 1 1 0 0 2 11 0 0 0 1 0 1 3 12 1 0 0 1 0 1 3 13 0 0 1 0 1 0 2 14 1 1 1 0 1 1 3 15 1 0 1 1 0 0 1 Нейронная сеть Программное обеспечение: NeuroPro Модельная сеть имитирует взаимодействие модулей и совместное принятие решений Исходная сеть является 3-слойной, по 10 нейронов в каждом слое Имеет 6 входов и 1 выход, значения сигналов на которых рассматриваются как качественные Обучение и тестирование сети Обучение и тестирование сети показало, что она успешно справляется с поставленной задачей, а процедура упрощения показала, что параметры сети выбраны правильно (в результате удален 1 нейрон и 1 вход). Т.о., гипотеза об оптимизации модели нейронной сетью подтвердилась, входы «Тепло» и «Жарко» сведены к одному входу. Вывод Соотнесение с гипотезой: нервная система земляного червя является слабоинтеллектуальной и ее работа может быть смоделирована на основе многослойных нейронных сетей. Тестирование модели на нейронной сети показало отсутствие внутренних противоречий и, следовательно, возможность принятия решения при различных комбинациях входных параметров Заданные в модели взаимозаменяемые модули D и E были самостоятельно обнаружены нейронной сетью и оптимизированы Спасибо за внимание!