Комп`ютерне моделювання функціональних нейропсихологічних систем

Проблеми моделювання як методу психології

Думка про те, що метод моделювання буде ставати все більш ефективним методом психології, висловлювалася в різний час багатьма вченими (Н. Амосов, Л.М. Веккер, А.Н. Кочергін, А.А. Братко-Кутинскій, А. Ньюелл, Г. Саймон та ін.). Як зазначалося в роботах цих вчених, моделювання, і особливо комп`ютерне, значно розширює можливості інших методів психології:

* Модель надає досліднику аналог психічного явища, більш доступний для маніпулювання, ніж його прототип;

* Модель може бути представлена в різних взаємопов`язаних формах (знакових і речових);

* Модель психічного явища якісно відрізняється тим, що допомагає розумінню його внутрішньої і зовнішньої організації;

* Відносно самостійне поведінку моделі, а також відволікання від її прототипу підказує нові пошукові та перевірочні експерименти і аналогії з іншими явищами;

* Функціональні комп`ютерні моделі можуть служити критерієм правильності реалізованих в них теорій, оскільки їх помилковість або не дозволить моделі виконувати свої функції, або швидко призведе до результатів, явно відрізняє її від прототипу;

* Модель за своєю природою є єдністю теорії і практики. Вона ефективно сприяє формалізації даних про предмет дослідження, полегшуючи побудова і перевірку психологічних гіпотез;

* Моделювання психічних функцій не тільки дозволяє, але і вимагає висловлювати психологічні теорії на точному мовою;

* В комп`ютерну модель може бути закладено значно більшу кількість елементів, ніж в будь-яку теоретичну або речову модель (механічну, електричну і т.д.);

* Комп`ютерна модель функціонує більш об`єктивно, ніж теоретичні та концептуальні моделі, робота яких забезпечується міркуваннями дослідника.

Незважаючи на свої переваги, моделювання як засіб дослідження психіки поки використовується дуже обмежено. Це пов`язано з загальними труднощами проникнення методів точних наук в гуманітарні. Вирішення цих проблем є можливим тільки за допомогою наближення методу моделювання до особливостей модельованих об`єктів живої природи. В даний час можна виділити два реально здійсненних напрямки такого наближення: перехід від математичного моделювання до системного і від однорівневої до багаторівневого.

Перехід до системного компьютерномумоделірованію

Як показав сплеск робіт 1950 - 1960 років з математичного і комп`ютерного моделювання психіки, пряме додаток математичних методів в психології може вирішити лише другорядні питання, або ж ці методи вимагають таких жорстких умов для свого застосування, що стають занадто далекими від реалізації.

Труднощі додатки математики до реального світу обумовлені в основному тим, що математика оперує абстрактними "математичними об`єктами". Числа, лінії, геометричні фігури не існують в природі в тому вигляді, в якому їх вивчає математика. Для додатка математичних методів до реальних речей останні необхідно представити у вигляді математичних об`єктів. Завдання математичної формалізації реальних об`єктів знаходиться на стику наук, в її вирішенні велику роль відіграє інтуїція дослідника.

У міру переходу від математизації об`єктів неживої природи до об`єктів гуманітарних наук завдання формалізації багаторазово ускладнюється. Стає все більш важливим виокремлення проміжних ланок між математичним і реальним об`єктами: формування певних системних уявлень про моделюється об`єкті.

Як відзначав А.І.Уемов, системне уявлення об`єкта може служити не тільки підготовчою фазою до створення математичної моделі, а й замінювати цю модель. Цінність математичної моделі визначається тим, що результати вироблених над нею операцій можуть потім переноситися на її прототип. Аналогічну роль може виконувати і системне уявлення, тобто системна модель об`єкта. При цьому умови застосовності системної моделі можуть бути менш жорсткими, ніж у моделі, побудованої за допомогою засобів математики.

У порівнянні з системної одним з основних переваг математичної моделі є можливість її безпосереднього перекладання на мову програм для ЕОМ з подальшим проведенням над отриманої комп`ютерною моделлю необхідних експериментальних операцій. Свого часу успіхи нових галузей математики дозволили перейти до її використання в гуманітарних науках. В даний час успіхи комп`ютерних технологій дозволяють перейти до побудови системної моделі об`єкта без проміжної математизації і тим самим об`єднати переваги математичної і системних моделей.

Рівневий аспект моделювання

Основною причиною пошуку проміжного "системного" ланки між математичною моделлю і її прототипом була явна відірваність математичних моделей від відповідних об`єктів живої природи. Зазначений "розрив" між математичною моделлю і прототипом має місце і при попередньому системному поданні об`єкта, що моделюється. Це дозволяє припустити, що важливою причиною обмеженості моделей живого був спрощений перенос змісту етапу системного дослідження об`єкта, що моделюється для фізичних предметів і пристроїв на підходи до системного поданням об`єктів живої природи.

Всі ці підходи ґрунтувалися на кількісному копіюванні властивостей живого як цілісної системи. Зокрема, А.А.Братко в своєму огляді різних підходів до моделювання зробив загальний висновок про те, що сутністю технічного моделювання психіки є лише переведення більш досконалих (психічних) операцій на рівень більш "грубих" (машинних) при збереженні способів їх комбінацій, вироблених мозком. У психології таким чином моделювалися як зовні спостережувані психічні процеси і явища, що мають "вхід" і "вихід" (наприклад, міркування, рішення задач, психомоторні реакції і т.п.), так і взаємозв`язку між ними, за своїм змістом також належні до психологічних явищ.

Той же самий підхід реалізований і в роботах на нейрофизиологическом рівні, де створювалися моделі окремих нейронів і їх систем, як правило, без конкретного їх співвіднесення з явищами інших рівнів біологічної системи.

Аналіз робіт, націлених на моделювання або нейронного, або психічного рівня біосистем, показує, що розвиток таких моделей дозволяє наблизити до оригінальних результати, одержувані на "виході" моделі (наприклад, рекомендації "інтелектуальних" експертних систем). У деяких випадках можливе навіть перевищення отриманих моделлю результатів над тими, на які здатний модельований об`єкт (приклад цьому - перемога машини над людиною в грі в шахи). Але все успіхи на цьому шляху практично не наближають нас до пізнання сутності психічних явищ, тому що основним завданням таких моделей є не відтворення структури психічної діяльності, а тільки отримання певного результату на "виході".

Образно кажучи, просування вперед тут є, але воно йде в обхід психіки у напрямку до інших цілям. Що ж стосується саме дослідного моделювання психічних явищ, то після сплеску робіт 1950 - 1960 років тут не спостерігається значних або принципово нових результатів. Як можна припустити, ця зупинка викликана відсутністю ефективного підходу до проблеми, відповідного поставленої задачі.

висновки

Узагальнюючи результати робіт, проведених в області моделювання психічних явищ, можна зробити деякі висновки про загальний характер підходу, використовуваного тут до теперішнього часу, і про необхідні напрямки його розвитку.

У комп`ютерному моделюванні з різних причин поки не ставилася спеціальна завдання відображення в моделі рівневої структури системи, тому в цілому цей підхід можна визначити як "однорівневе" моделювання об`єкта, часто взагалі зводиться до моделювання чисто зовнішніх його проявів. Цей підхід показав свою ефективність при моделюванні об`єктів неживої природи і практично без змін використовувався потім при дослідженні живого.

Об`єкти неживої природи є більш просто організованими і не мають рівнів, що реалізують складну переробку інформації, істотну для зовнішніх властивостей і поведінки об`єктів в цілому. Облік цього вимагає застосування значно глибшого і спеціалізованого багаторівневого системного дослідження. Можна припустити, об`єктивною причиною невдач при переході від математичного моделювання неживих об`єктів до об`єктів живої природи був саме багаторівневий характер об`єктів живої природи.

Думка про необхідність розробки нового підходу в моделюванні, що враховує багаторівневу організацію живих об`єктів, неодноразово висловлювалася в роботах різних дослідників, які стикаються з обмеженістю одноуровневого математичного та комп`ютерного моделювання. Зокрема, в роботі Л.М.Веккера "Сприйняття і основи його моделювання" показано, що побудова повної та однозначної психологічної теорії неможливо без виходу за рамки системи специфічних психологічних понять, без створення "синтетичної мови", що дозволяє розглядати психічні, фізіологічні та машинні процеси як рядоположенние, як різні форми інформаційних процесів. Складна робота по створенню такої мови не може бути виконана без конкретних і формалізованих описів, що можливо лише в процесі практичного застосування методу моделювання.

Торкаючись перспектив теоретико-інформаційного підходу для проблеми сприйняття, Л.М.Веккер відзначав, що теорія сприйняття вимагає конструктивного застосування загальної теорії сигналу як безлічі елементарних станів носія інформації, упорядкованого адекватно її джерела. В цьому випадку психофізіології, спираючись на загальну теорію інформаційних процесів, отримує можливість зіставити перцептивний і нервовий процеси, як сигнали в рамках однієї теорії, яка веде від загальних принципів організації сигналу (інформації) до специфічних характеристик його різних приватних форм (нервової і нервово-психічної) .

Описані вище теоретичні висновки і аналіз результатів експериментально-прикладних робіт в області моделювання психіки дозволяють зробити висновок, що для наближення цього методу до особливостей живих об`єктів необхідна розробка багаторівневого підходу до моделювання. Цей підхід повинен спиратися на відображення в моделі не тільки загальносистемного рівня об`єкта, що моделюється, але і рівнів, організація змісту яких і забезпечує всі специфічні властивості об`єкта в цілому.

У зв`язку з цим першочерговим завданням роботи над моделлю має бути відображення щодо глибокого рівня об`єкта. Це повинен бути той рівень, де знаходяться не цілісні підсистеми, а елементи досліджуваного об`єкта. Ці елементи не мають властивостей системи, але завдяки своїй організації створюють всі властивості системи і її підсистем.

При такому системному багаторівневому підході до моделювання багато обмежень математичних моделей знімаються тим фактом, що з математичних об`єктів моделюється не безпосереднє досліджуваний об`єкт, а його субстрат - певний фізичний (анатомічний, фізіологічний або інший) об`єкт. Його модель за своїми системним властивостям вже є не абстрактним математичним, а скоріше фізичним об`єктом того чи іншого виду. Тому при створенні з нього більш загальних моделей вони будуть об`єктивно вже моделями, більш наближеними до оригіналу. При такому підході загальноприйнята схема дослідження, що включає моделювання, піддається декільком істотним змінам.

По-перше, виникає додатковий етап - побудова математичних і комп`ютерних моделей елементів досліджуваної системи. Це може бути безліч однакових або різних моделей, що відповідають різним елементам, що моделюється.

По-друге, змінюється зміст етапу побудови моделі досліджуваного об`єкта. Тут необхідно працювати не з підсистемами і властивостями цілого, а з моделями елементів цілого, що не мають характерних для нього властивостей. Основним завданням побудови моделі стає відображення в ній організації елементів досліджуваного об`єкта.

В області психології такий підхід вимагає моделювання цілісних багаторівневих нейропсихологічних функціональних систем з проведенням роботи як на нейрофизиологическом, так і на психологічному рівнях. Визначальною особливістю цього інтеграційного підходу має бути визнання багаторівневої організації біосистем, закладеної як в його теоретичні основи, так і в процедури реалізації моделювання.

Таким чином, дослідження на основі багаторівневого системного моделювання вимагає проведення роботи в декількох взаємопов`язаних напрямках:

* Нейрофізіологія - аналіз функціонування нервових клітин і їх мереж, математичне їх опис;

* Психологія - аналіз елементарних психічних явищ, їх співвідношення з цілісними одиницями нейрофізіологічних процесів;

* Філософія і теорія інформації - аналіз змісту та різних форм інформації, форм її передачі та переробки, специфіки форм інформації в біологічних системах;

* Програмування - розробка і налагодження програмного забезпечення моделі на різних рівнях організації її прототипу.

Перші три напрямки роботи є в першу чергу теоретичними, хоча можуть містити і прикладні елементи. Останній напрям є переважно практичним, і його реалізація є певним критерієм успішності роботи, що проводиться у всіх зазначених теоретичних напрямках.

Досвід реалізації системної багаторівневої моделі

Розкриті вище теоретичні положення послужили відправною точкою ведеться в даний час роботи з комп`ютерного моделювання нейропсихологічних функціональних систем.

Для цих цілей розроблено комп`ютерну програму, що встановлюється в середовищі Windows. На поточному етапі роботи це програмне забезпечення дозволяє моделювати базові функції, що реалізуються елементами нервової системи, а також прості види взаємодій по різному організованих елементів (наприклад, латеральне гальмування). Зокрема, реалізовані функції отримання збудливою і гальмівної імпульсації від інших елементів, обробки сигналів відповідно до власного порогом збудження-гальмування, передачі імпульсації іншим елементам. Вже на цьому початковому етапі в моделі реалізовані нові можливості експериментування: регулювання зв`язків між елементами (нейронами), зміна граничних і інших характеристик елементів, додавання нових елементів з установкою необхідних їх характеристик і зв`язків з іншими елементами.

Експериментатор може спостерігати графічне представлення станів елементів моделі і всіх зв`язків як між ними, так і з зовнішнім середовищем моделі, взаємодії між елементами одночасно на різних рівнях організації моделі, а також загальна поведінка моделі. Останнє пред`являється на системному рівні і являє собою пересування зображення моделі на обмеженому полі, де знаходяться відображаються моделлю "їжа" і "перешкоди", на які вона реагує відповідно до їх "біологічним змістом" і організацією її "нервової системи", створеної експериментатором.

Незалежно від успішності реалізації щодо віддалених, перспективних планів розробки даного підходу в моделюванні, вже зараз розроблене програмне забезпечення може бути використане для навчальних і дослідницьких цілей в галузі загальної психології, нейропсихології, зоопсихології та в інших областях, де вивчаються різні аспекти розвитку та функціонування нейропсихологічних систем.

Мірошников С.А.

Увага, тільки СЬОГОДНІ!