1 Научно-практическая конференция «Теория развития: дифференционно-интеграционная парадигма» Москва, МГППУ, февраля 2009 г. ОНТОГЕНЕТИЧЕСКАЯ ЭВОЛЮЦИЯ И ИНВОЛЮЦИЯ КОГНИТИВНОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ МОЗГА: НЕЙРОСЕТЕВОЙ ПОДХОД А.Т. Терехин, Е.В. Будилова, М.П. Карпенко, Л.М. Качалова, Т.Г. Савко, Е.В. Чмыхова Биологический факультет МГУ Институт когнитивной нейрологии СГА

2 Каковы общие возрастные тенденции изменения характера когнитивной деятельности и физиологии человека? В данном сообщении мы пытаемся ответить на эти вопросы, рассматривая мозг как динамическую систему - сеть взаимодействующих друг с другом нейронов и анализируя свойства ее функции Ляпунова.

3 Нейронная сеть Хопфилда Динамика состояний: Hopfield J.J. Neurons with graded response have collective computational properties like those of two-state neurons. PNAS, 1984, v. 81, 3088–3092. Динамика весов (правило Хебба):

4 Функция Ляпунова (функция энергии) Для рассматриваемой сети можно построить соответствующую ей функцию Ляпунова (функцию энергии, потенциальную функцию), обладающую тем свойством, что состояние сети всегда изменяется в направлении уменьшения функции энергии.

5 Функция энергии для сети Хопфилда является суммой двух членов: При больших G преобладающее значение имеет первый член: При малых G преобладает второй член:

6 Функция энергии для сети из двух нейронов E1E2 E1+E2

7 Увеличение глубины аттракторов при увеличении числа запомненных образов

8 Увеличении глубины аттрактора при увеличении параметра крутизны G При уменьшении G сначала исчезают самые мелкие аттракторы, а затем все более и более глубокие

9 Уменьшение числа аттракторов сети из 81 нейрона при уменьшении G (по результатам моделирования)

10 Модель старения мозга С возрастом в мозге происходит множество нейроанатомических и нейрохимических изменений, способствующих ослаблению межнейронных связей. Например, начиная с 20-летнего возраста постоянно снижается плотность многих постсинаптических рецепторов, вследствие чего снижается чувствительность нейронов к входящим сигналам. Соответственно, процесс старения мозга можно ассоциировать с уменьшением величины параметра крутизны G сигмоидной кривой:

11 Поскольку, как было показано, уменьшение параметра G приводит к сглаживанию рельефа функции энергии нейронной сети и уменьшению числа аттракторов, то можно сделать вывод о том, что при старении мозга наряду с отрицательными, на первый взгляд, изменениями его когнитивных свойств, такими как ослабление памяти, у человека появляется ценная способность видеть проблемные ситуации с более общей точки зрения, выделять в них главное и, в конечном итоге, находить стратегически более эффективные решения, т.е. возникает способность, которую можно рассматривать как составляющую часть мудрости – когнитивного свойства, ассоциируемого традиционно с пожилым возрастом.

12 Когнитивный эффект возрастного сглаживания функции энергии сети Терехин А.Т., Будилова Е.В, Качалова Л.М. Когнитивные преимущества третьего возраста. Материалы конференции "Третий возраст: старшее поколение в современной информационной среде", Москва, СГА, 30 января 2008 г.

13 «Я думаю, что сейчас я более успешно работаю в науке, чем когда был молод. В науке очень важна проницательность (judgement), а я теперь лучше понимаю, какие проблемы важны, а какие – нет.» Эрик Кандел, лауреат Нобелевской премии по медицине 2000 г. 77 лет

14 Глобальный аттрактор нейронной сети мозга – какому понятию он соответствует? Может быть, это солженицинское «изображение вечности»? «В такие минуты весь смысл существования его самого за долгое прошлое и за короткое будущее, и его покойной жены, и его молоденькой внучки, и всех вообще людей представлялся ему не в их главной деятельности, которою они постоянно только и занимались, в ней полагали весь интерес и ею были известны людям. А в том, насколько удавалось им сохранить неомутненным, непродрогнувшим, неискаженным изображение вечности, зароненное каждому. Как серебряный месяц в спокойном пруду.» А.И. Солженицын. Раковый корпус. Глава 30 - Старый доктор. М., Новый мир, 1991.

15 Развитие мозга В период младенчества и раннего детства, наоборот, усложненяется рельеф функции и увеличивается число ее аттракторов, поскольку растет число межнейронных связей и их интенсивность увеличивается. Однако в последующие годы детства, отрочества и юности значительная часть межнейронных связей (до 40%) элиминируется. Казалось бы, рельеф функции энергии должен сглаживаться. Однако наши расчеты показывают, что при не слишком больших масштабах элиминации наиболее слабых межнейронных связей локальные минимумы функции энергии, наоборот, углубляются – происходит как бы контрастирование сформировавшихся образов (понятий).

16 Процент элиминированных межнейронных связей и значения функции энергии сети из 200 нейронов в локальном минимуме k = 100 при G =

17 Таким образом, в период младенчества, детства, отрочества и юности рельеф функции Ляпунова нейронной сети мозга усложняется, а ее локальные минимумы углубляются. Развитие мозга в направлении от простого к сложному имеет принципиальное значение. Сложный неструктурированный мозг не способен эффективно усвоить захлестывающий его поток слабо структурированной внешней информации. Он должен быть сначала простым, чтобы уловить наиболее общие внешние закономерности, и только после этого постепенно усложняясь, усвоить детали. На уровне компьютерного моделирования эта «важность начинания с малого» была показана Дж. Элманом на примере спонтанного усвоения правил грамматики искусственной нейронной сетью [Elman 1993].

18 Телескопический эффект автобиографической памяти М.П. Карпенко, Е.В. Чмыхова, А.Т. Терехин МОДЕЛЬ ВОЗРАСТНОГО ИЗМЕНЕНИЯ ВОСПРИЯТИЯ ВРЕМЕНИ. Вопросы психологии, 2009

19 Таким образом, в молодости рельеф функции энергии нейронной сети усложняется, а в пожилом возрасте сглаживается, как бы приближаясь к его детскому состоянию. Кроме того, с возрастом растет доля вспоминаний о далеком прошлом. Учитывая также, что все регуляторные системы организма образуют единую нейрогеногуморальную сеть, следует сделать вывод о том, что в пожилом возрасте должен наблюдаться не только ментальный, но и эмоциональный возврат к прошлому, т.е. происходить как бы обратное движение во времени. Можно сказать, что, в некотором смысле, жизнь это долгое возвращение в детство – к тому «изображению вечности», которое было «заронено» в нас при рождении.