Чтобы учиться, не нужно обладать ни разумом, ни сознанием

[macroevolution]

В рамках курса "Введение в эволюционную антропологию" нужно быстренько объяснить студентам базовые принципы работы нервной системы. Весьма полезной для этого оказалась вот такая вымышленная схема нейронного контура, способного обучаться выбору одного из двух действий в ответ на стимул (световой сигнал) в зависимости от результата. Сначала, конечно, нужно объяснить, что такое нейрон, потенциал покоя, потенциал действия, синапс, нейротрансмиттеры, ионотропные и метаботропные рецепторы. Потом - схему формирования кратковременной и долговременной памяти в простейшей системе из трех нейронов у аплизии (см. тут). Ну а потом уже можно показать вот такую схему:



И на ней объяснить несколько общих принципов. ГАМКэргические нейроны посылают тормозящие сигналы (линии с точкой), глутаматэргические - возбуждающие (стрелочки). Слева здесь блок случайного выбора одного из двух действий в ответ на световой сигнал. Фоторецептор посылает импульс двум нейронам, но тот из них, кто случайно возбудится чуть раньше, затормозит своего конкурента. Поэтому будет сделан случайный, но при этом однозначный, уверенный выбор одного из двух действий.
Здесь демонстрируется принцип взаимного торможения - универсальный элемент "демократических" систем принятия решений, спасающий от ловушки "Буриданова осла". Суть его в том, что нужно не только проталкивать собственную точку зрения, но и активно затыкать оппонентов. Применяется не только в парламентах, но даже пчелиным роем при выборе места для поселения.
Справа - блок различения добра и зла, тоже использующий взаимное торможение. Если этот блок, взвесив положительные и отрицательные сигналы, в итоге "видит, что это хорошо", то возбуждается зелененький  дофаминэргический нейрон. Его окончания выбрасывают дофамин (модулирующий сигнал) на аксонные окончания первого блока. И там, где сейчас пробегали потенциалы действия, формируется память (усиливается синаптическая проводимость). И теперь в ответ на следующий световой сигнал будет уже выбираться не случайное действие, а то самое, которое было выбрано в прошлый раз. Вот у нас и произошло обучение на положительном опыте.

Схемка позволяет понять, например, каким образом ухитряется чему-то учиться и что-то запоминать червячок C. elegans с нервной системой из 304 нейронов.

Ну а затем, рассказывая про мозги и нейропсихологию, удобно время от времени возвращаться к этой схемке и пояснять на ней разные тонкие материи. Например:
1) Что нейромодулятор, передающий информацию о том, что "всё получилось хорошо", и стимулирующий запоминание, можно подавать не точечно в синапсы, а разливать широко в межклеточном пространстве в данном отделе мозга - и всё равно система сработает,
2) Что у животных со сложной НС такие выбросы соответствуют чувству удовольствия,
3) Что такое система внутреннего подкрепления, как она соотносится с обычным подкреплением, и почему, если вдруг появляется возможность возбудить зеленый нейрон напрямую, то "трудные окольные пути" вроде добывания пищи или поиска и охмурения сексуальных партнеров становятся "избыточными" - и тогда крыса жмет на рычаг, пока не умрет с голоду, а наркоман колется героином, и даже перспектива скорой смерти его не останавливает.
4) Почему так легко формируются (и у людей, и у других животных) бессмысленные ритуалы и компульсивное поведение: ведь такая простая система не понимает причин и следствий и запоминает "удачный" выбор действия, даже если он совпал с положительным подкреплением чисто случайно.

Ну и всякие другие интересные мысли появляются, когда начинаешь фантазировать, как те или иные простые самообучающиеся контуры в принципе могут быть собраны из нейронов.

Comments

[sahonko.livejournal.com]

Строго говоря, для лучшего выживания в группе нет особой необходимости в усложнении реакций мозга. А вот необходимость постоянно оперировать даже простейшими орудиями труда приводит к необходимости качественного развития таких реакций.
Собственно орудийная деятельность - это магистральное направление развития живых существ. Конечно первоначально орудие животному дается от рождения, клюв, клыки, хобот и т.д., как органы его тела. Однако и животные могут часто воздействовать на среду посредством внешних объектов, а не только своих специализированных органов. Так вот происхождение человека было вызвано тем, что животными методами дальнейшее совершенствование орудийной деятельности оказалось невозможным. То есть был достигнут предел в этом совершенствовании. А проблема проста: если при непосредственном взаимодействии с внешним объектом животное должно предвидеть его поведение, для чего ему приходится обрабатывать огромный массив информации, то при опосредованном, через орудие прибавляется еще необходимость предвидеть и поведение орудия, при этом естественно объем обрабатываемой информации увеличивается в разы. С простенькой орудийной деятельностью усложнившийся мозг высших животных едва справлялся, но минимальное усложнение орудий и манипуляции с ними уже требовало иной организации умственной деятельности. Труд выступал скорее не создателем, человека, а заказчиком качественных преобразований животного в человека.
Можно слышать (например, здесь), что нет разницы между орудиями труда и органами человека (или животного), при помощи которых он воздействует на природу. Но это в корне неверно. Конечно с точки зрения внешнего наблюдателя рука – это некоторая сложносочлененная палка. И принципиальной разницы между рукой и палкой подобранной в лесу нет. Но вот с точки зрения того, кто должен оперировать рукой и палкой разница исключительно велика. Для оперирующего субъекта орган тела, при помощи которого происходит оперирование – практически стопроцентно прогнозируемый объект (все его свойства и качества зафиксированы в мозгу, ведь они создавались практически вместе и для совместного применения, все оперативные органы снабжены внутренними рецепторами фиксирующими его положение в пространстве и относительно других органов). То есть, то, в какой точке пространства окажется та или иная часть тела в результате подачи сигнала на соответствующие моторные мышцы субъекту почти достоверно известно. А вот о внешнем объекте такого сказать нельзя. Взять, к примеру, хотя бы обыкновенную палку. Если траектория конца, который держит рука вполне известна, то каким образом поведет себя другой конец палки - уже зависит не только от воздействия на нее руки, но и от свойств самой палки, которые мозгу изначально неизвестны. Получается, что если до использования орудия субъект должен был только прогнозировать поведение внешнего объекта, на который направленно воздействие, то теперь к этому добавляется еще один объект, который требует одновременного прогноза поведения – это орудие. Естественно, что это резко увеличивает сложность процедуры прогнозирования, и сложность эта растет в геометрической прогрессии, поскольку орудие это не просто добавление еще одного дополнительного параметра неопределенности при прогнозировании, что само по себе уже усложняет прогнозирование, а сам объект прогнозирования становится двухуровневым, поскольку надо вначале спрогнозировать поведение орудия и только на основе верного прогноза дать прогноз о результате воздействия орудия на предмет труда.
Все это говорит о том, что для полноценного труда необходимы на порядок большие физические ресурсы мозга, либо организация его деятельность должна качественно измениться в сторону повышения эффективности, при том же физическом объеме.
Еще раз оговариваюсь, я не утверждаю, что животные не могут пользоваться орудиями, однако делают это они эпизодически, факультативно, в очень простых формах и малых объемах. На такое пользование ресурсов их мозга вполне хватает. Человек же применяет орудия абсолютно во всех сферах своей деятельности, от туалетной бумаги до космических кораблей - это все орудия, при помощи которых человек добивается поставленных перед собой целей.