Многоуровневый генетический алгоритм (гипотеза и примеры)

ГИПОТЕЗА:

Адекватной моделью, отражающей работу самообучающихся и исследовательских механизмов сознания является многоуровневый генетический алгоритм (МГА). То есть генетический алгоритм (http://ru.wikipedia.org/wiki/Генетический_алгоритм), оптимизирующий работу генетического алгоритма, оптимизирующий работу генетического алгоритма (и т. д. по кол-ву уровней), оптимизирующий работу некоторой функциональной системы, или ряда функциональных систем.

Как это работает?

Допустим имеется некоторая практическая задача и для оптимизации её выполнения применяется стандартный генетический алгоритм. Тогда с течением времени эта задача будет выполняться всё более и более удачно (уверенно, оптимально).  Усложним описанную систему, добавив ген алгоритм более высокого уровня. Этот генетический алгоритм будет оптимизировать работу рассмотренного ген алгоритма, например: по параметрам скрещивания и отбора, мутациям и виду оптимизирующего функционала. Тогда в результате работы данной системы генетических алгоритмов, происходит не только оптимизация выполнения конкретной задачи, но и накопление данных о том как всё более успешно  и быстро оптимизировать их выполнение в дальнейшем. Эти данные накапливаются в значении параметров оптимизируемого генетического алгоритма, а он сам становится исключительно мощной программой для быстрого отыскания оптимальных решений к целому классу задач, аналогичных исходной. Если мы добавим ещё один уровень ген алгоритма, то с течением времени получим ещё более мощный и универсальный инструмент для решения ещё более широкого круга задач, и так далее.

На нейрофизиологическом уровне: появление надуровня или подуровня генетического алгоритма происходит за счёт образования синаптических связей и включения новых нейронов в нейронную сеть неким стандартным (заложенным генетически) механизмом. Процесс образования стандартной схемы ячейки МГА сопровождаются выбросом эндорфинов (дофамина и т д), а, возможно им и инициируются. Несмотря на "стандартность" подобной ячейки, общий вид получающейся схемы отличается исключительной индивидуальностью и зависит от совокупности всего жизненного опыта. Появление надуровней или подуровней МГА таким образом сопровождается "прорастанием" нейронной сети вверх, или вниз, соответственно.

Преимущества гипотезы:

Объясняет компактность информации о механизмах работы сознания, заложенной в генах. + Объясняет по сути, каким образом эта информация может быть закодирована в геноме. 

Объясняет универсальность сознания, как приспособительного механизма.

Концепция МГА в первом приближении укладывается в классическую схему «стимул-реакция» работы нервной системы и может являться результатом её эволюционного развития. В рамках этой схемы МГА нужен для последовательной оптимизации реакции на предъявляемые стимулы.

ПОДРОБНАЯ КОНЦЕПЦИЯ:

1) На начальном этапе развития центральной нервной системы происходит формирование основных мотивационных центров отвечающих за позитивные (на достижение целей) и негативные (на избегание) стремления индивида, и за соотношение между ними. Эти мотивационные центры являются движущей силой инстинктивно заложенного поведения, а с точки зрения ген алгоритма они формируют оптимизирующие функционалы для всех оптимизационных задач, которые в последствии необходимо решать мозгу. 

2) Первое время после рождения ребёнок максимально контактирует с родителями, в результате чего у него развивается отождествление двух индивидов с  инстинктивно заложенным понятием «родители» и включаются соответствующие механизмы по перенятию опыта поведения. За передачу опыта от старшего поколения младшему ( в период 0.5-14 лет), существует известная система зеркальных нейронов, отвечающая за непроизвольное и исключительно точное копирование действий родителей. Следует отметить, что в наибольшей мере однозначно копируется поведение именно родителей, что определяет эффективность передачи опыта. Данный механизм позволяет существенно дополнить информацию, передаваемую из поколение в поколение генами. 

3) Для указанного периода (0.5-14 лет) максимально характерно игровое поведение, которое по большей части формирует собственный опыт взаимодействия с внешним миром. Именно в формировании этого собственного опыта определяющую роль играет многоуровневый генетический алгоритм. Для того, чтобы пояснить, как это происходит приведём простой пример:

Ребёнку необходимо подружиться со сверстниками (социальный мотив). Имеется такая цель, или просто стремление. Имея в своём багаже подражание взрослым, он пытается найти общее занятие с детьми, с которыми хочет общаться. Уже на этом этапе идёт оптимизация и пробы различных решений, например он пробует играть в разные игры с разными детьми. Таким образом идёт оптимизация и по роду деятельности и по контингенту общения. Это самый верхний уровень и здесь на отыскание оптимальных решений уходит больше всего времени. Оптимизирующей функцией здесь, является то, насколько комфортно он себя чувствует в том или ином окружении. То есть, чем ему лучше, тем больше вероятность, что он выберет именно этих людей и именно это занятие. Допустим он выбрал футбол, тогда у него есть выбор, кем играть и в какой команде. Это следующий уровень и на выбор решения здесь уже уходит меньше времени. Выбрав собственное амплуа и команду, ребёнок получает в придачу огромное число задач, которые необходимо оптимизировать, ибо хорошо сыгранная игра залог получения удовольствия от общения (именно общения, мотив не меняется!!!). В круг этих задач входит, оптимизация взаимодействия с каждым из членов команды и с командой в целом, оптимизация собственной техники, оптимизация взаимодействия между другими членами команды, и т д. Каждая из этих задач, в свою очередь разбивается на множество ещё более мелких подзадач и так далее. Все эти задачи, по сути являются задачами оптимизации и в результате игрового поведения ребёнка у него появляется опыт их всё более и более оптимального выполнения. Стоит отметить, что выполнение какого-нибудь особо сложного финта способно принести ребёнку массу удовольствия, хотя это уже, казалось бы, подзадача низкого уровня, и её решение не является решением главной задачи (социализации). Хочется указать на то, что концентрация на подзадачах низкого уровня и большая мотивация на их выполнение является отличительной особенностью высокоразвитых видов млекопитающих и в особенности человека. 

Таким образов за формирование мировоззрения индивида и его самоидентификацию отвечают три составляющих: инстинктивные мотивационные программы, опыт родителей, перенимаемый системой «зеркальных нейронов», и собственный опыт, формируемый МГА. По той же схеме закладываются образы, запускающие механизмы инстинктивного поведения, как то: агрессия, доминирование, социальная адаптация, сексуальное поведение. В дальнейшей жизни распознавание любого из заложенных образов будет неизменно приводить к запуску соответствующей инстинктивной программы. Если нужно, чтобы что-то не запускалось лучше работать с системой распознавания образов (инстинктивные программы особо не переделываются).

Вышеуказанные этапы характерны для формирования интеллекта большинства млекопитающих, например и для волчонка можно придумать аналогичный пункту 3 пример только с меньшей вариабельностью выборов. В чём же отличие человеческого интеллекта? 

ВЕРБАЛИЗАЦИЯ 

По данным одного этологического исследования, разница между интеллектуальными способностями 2-3 летних детей и детёнышей шимпанзе аналогичного возраста заключается лишь в лучшем решении коммуникативных задач детьми.

Ключевой особенностью, отличающей человеческий интеллект от интеллекта высокоразвитых млекопитающих является умение разговаривать и, что ещё важнее, умение мыслить словами. В период обучения разговорной речи, ребёнок постоянно наблюдает за родителями, за тем, что они делают, когда что-то говорят, какое у них при этом настроение и т д. Если ребёнка специально учат говорить, то он ещё и пробует совершать какие-нибудь действия над предметами, которые учится называть. В результате, каждому слову, которое ребенок учится произносить и использовать, соответствует целый пласт информации о том, что оно означает. Более того, можно предположить, что каждое слово соответствует самообучающейся ячейке генетического алгоритма (МГА), за счет чего умение с ним обращаться растет по мере накопления опыта его использования и  восприятия, а его значение всё более и более уточняется. Это значит, что, как только у ребёнка появляется словарный запас и умение правильно строить предложения, у него появляются, по сути, неограниченные (по сравнению с животными) возможности по перенятию опыта у взрослых. Прежде всего, если ему хочется что-то узнать, он может спросить у взрослых, и получить ответ, в виде предложения, которое зачастую выражает опыт поколений по данному вопросу. Например: «Папа, а что такое солнце?» и ответ: «Солнце это ближайшая к нам звезда, огромный огненный шар, вокруг которого вращается Земля». Несмотря на то, что ответ наверно и не самый выдающийся, он несет в себе огромный объем информации, который без слов, взрослому человеку составило бы огромного труда выразить, если это вообще возможно. Более того, этот ответ действительно является обобщением опыта поколений, и ребёнку уже не нужно изобретать телескоп и иметь шанс сгореть на костре инквизиции, чтобы выяснить это самому. Как же происходит передача этого опыта на нейрофизиологическом уровне? Допустим, каждое слово в ответном предложении уже известно ребёнку, тогда будучи услышанным, оно автоматически активизирует соответствующую ячейку МГА, в которой уже содержиться обобщённая информация об услышанном слове, такая как вид соответствующего предмета (для существительного), его форма, размер, назначение и т д и т п. На самом деле объем информации сопряженной с этой ячейкой ещё больше и скорее всего  включает информацию о всех случаях, когда ребёнок слышал это слово. Услышанное предложение активизирует соответствующие ячейки одновременно, за счёт чего между ними образуются, зависящие от последовательности слов синаптические связи, происходит синтез информации. В данном случае, в результате этого синтеза ребёнок имеет представление о многих вещах, о которых в прямую в предложении не упоминается, например: что солнце не плоское, что оно горячее, что земля не плоскость на которой он стоит, а имеет конечный объём и «висит» где то в пространстве и т д. Стоит отметить, что для адекватного восприятия информации необходимо, чтобы уже был существенный опыт по каждому из слов, ребёнок лет пяти может и не понять ответа приведённого в примере, в этом случае синаптические связи скорее всего не образуются. Интересен также эффект обобщающих понятий, часто человек чувствует, что есть какая-либо закономерность, или обобщающая идея, но отсутствие соответствующего понятия мешает развивать мысль в данном направлении. В этом случае, вычитав или услышав определение такой идеи, человек может воскликнуть: «так вот, в чем дело!», или «так вот, как это называется!», и в дальнейшем, пользование этим понятием сильно упрощает жизнь, или просто помогает развивать мысль в соответствующем направлении. С алгоритмической точки зрения, в этом случае образуется ячейка надуровня МГА, с нейрофизиологической — происходит «прорастание вверх». Выброс эндорфинов, который, судя по восклицанию, происходит в этом случае, - явление, как раз, вполне характерное для «прорастания  вверх». Обобщающие понятия, о которых идёт речь, являются сильнейшим внешним стимулом для синтеза информации в нейронной сети мозга человека. Убедительной иллюстрацией мощного эффекта обобщающих понятий является понятие «мема», активно обсуждающееся в интернете.

Ещё одно существенное преимущество, которое даёт вербализация, это возможность проведения мысленного эксперимента. Хотя возможно, мысленный эксперимент и не является прерогативой только человеческого мышления и для его проведения необязательно умение говорить, скорее всего, степень его эффективности у человека объясняется именно словарным запасом. С появлением словарного запаса, каждое предложение составленное в голове человека, стало символьным представлением, некоторой реальной ситуации. Более того, при составлении этого предложения, человек представляет себе эту ситуацию в живую. Дело в том, что, в результате мысленного воспроизведения каждого слова, активизируется соответствующая ячейка МГА и пласт информации с ней сопряженный, а точнее (гипотеза) все её подуровни. Последовательность слов в предложении подразумевает определённые логические связи между объектами, символами которых являются эти слова. За счет активации ячеек МГА происходит автоматическая проверка валидности этих логических связей, поскольку в каждой ячейке содержится вся полнота информации (визуальной, аудиальной, кинестетической) об обозначаемых словами объектах. Например, предложение: «Трение поднимает синий лес умелым танком» синтаксически составлено верно, а смыслового значения не имеет, и мозг человека в состоянии мгновенно провести его семантическую проверку, в отличи от компьютера, например. В случае, если человеку важен результат его умозаключений, происходит ещё более глубокая проверка логических связей, с исследованием большого числа возможных вариантов предложений выражающих суть стоящей перед человеком задачи и её решения. Мысленный эксперимент является важнейшим инструментом, посредством которого генетический алгоритм сравнивает и выбирает оптимальные идеи для достижения важных для человека целей. Именно мысленный эксперимент существенно обогащает скудный опыт реального взаимодействия с предметами окружающего мира. Ещё можно отметить, что словарный запас, которым человек владеет, составляет основу его мировоззрения или представления об окружающем мире, которое необходимо, например, для сопоставления наших желаний с нашими возможностями, то есть, для решения практически любых насущных задач. Известно, что наиважнейшим достижением цивилизации является именно развитое мировоззрение, которое имеют люди, к ней принадлежащие. Мировоззрение можно считать аналогом искусственной информационной среды для подбора оптимальных решений генетическим алгоритмом (Тестирование_многоуровневых_систем.doc), весьма вероятно, что именно оно является необходимой базой для мысленного эксперимента.

В современной нейрофизиологии существует понятие активной зоны мозга, как участка нейронной сети внутри которого происходит постоянная кольцевая передача нервных импульсов от нейрона к нейрону (см. память и научение и неуловимая энграмма). За счёт постоянного кольцевого возбуждения происходит накопление опыта, также оно отвечает за обратную связь между организмом и окружающим миром (за реакции организма в окружающем мире). 

Гипотеза: включение активной зоны ответственно за выполнение некоторой задачи МГА, и происходит за счёт окружения и распознавания соответствующей «игровой ситуации». Значит активной зоне соответствует одна глобальная оптимизационная задача МГА (в этом плане есть отличия между мужчинами и женщинами). В каждый конкретный момент времени все мотивационные механизмы сосредоточены в пределах активной на данный момент зоны мозга. 

Например, если человек играет в футбол, то в его голове работает, ячейка МГА, оптимизирующая умение играть в футбол. Особенность ситуации в том, что другие ячейки, отвечающие, например, за карьерный рост, или воспитание детей, в этот момент не активны. Все энергетические и сенсомоторные ресурсы мозга сосредоточенны на решении одной задачи. Это значит, что все не относящиеся к делу сигналы извне и позывы что-то сделать изнутри блокируются, что, правда, зависит от уровня сконцентрированности на задаче.

В результате исследований последних лет обнаружено, что формирование долговременной памяти происходит за счёт образования синаптических связей между нейронами (нейрофизиология и генетика поведения). Есть основания предполагать, что наиболее интенсивно эти связи формируются внутри активной зоны мозга. С этой точки зрения механизмы «прорастания» МГА сети вверх и вниз происходят за счёт образования новых синапсов и включения новых нейронов в активную сеть.

Подробная концепция объясняет огромное число эффектов работы сознания: 

1) Генерация случайных решений в случае попадания в совершенно незнакомую ситуацию. Есть многочисленные опыты демонстрирующие этот эффект (опыты Торндайка).

2) Большая роль опыта, передаваемого из поколения в поколение в формировании мышления и в его высокой эффективности. (Человеку не нужно уже проходить весь путь в изучении окружающего мира, который проделали его предки, многое он может принять на веру)

3) Наличие у всех высших млекопитающих, включая человека, игрового поведения и его преобладание в раннем возрасте, а также его несомненную важность.

4) Эффективность нейролингвистического программирования (http://ru.wikipedia.org/wiki/Нейролингвистическое_программирование). В частности эффективность метапозиции, и лингвистического исправления опущений, искажений и генерализаций. Объяснение эффективности гипнотической техники возвращения в детство.

5) Лёгкое обучение словесному мышлению (языку по сути) для высших приматов: шимпанзе, горилл, орангутанов. А также быстрое, относительно скорости эволюционных процессов, развитие языкового мышления у человека как вида.

6) Разница между заучиванием и пониманием. (В одном случае работают только зеркальные нейроны, а в другом включается ген алгоритм и проводится множество мысленных экспериментов)

7) Мысленный эксперимент. Сам механизм и его важность

8) Мотивация и внимание. Мотивация — это аналог оптимизирующего функционала генетического алгоритма, приближение к минимуму которого приводит к выбросу эндорфинов и стимулирует закрепление поведенческих реакций; внимание как закреплённая поведенческая реакция по направленному восприятию, или не восприятию информации)

Понятия хорошо и плохо соответствуют уменьшению и увеличению оптимизирующего функционала соответственно.

9) Инсайт — необходимостью долгой проверки новой «глубокой теории» на нижних уровнях в «backup режиме» т к они относятся к подсознанию. Объясняется  прорывом в оптимизации верхних уровней МГА системы на основе подсознательной обработки имеющейся опытной информации при наличии некоторого критического числа опытов, подтверждающих новую парадигму (структуру верхних уровней).

10) Наличие проблем во взаимопонимании между людьми. (Значения слов очень сильно зависят от личного опыта)

11) Интересная интерпретация понятия доверия. При доверии работают зеркальные нейроны, при недоверии включается ген алгоритм и происходит критическая обработка поступающей информации.

12) Эффект автоматического неконтролируемого поведения в знакомой ситуации.

Похоже ген алгоритм включается только при наличии новизны во внешней ситуации.

13) Эффект творчества (объяснение из стыковки понятия мотивации с понятием оптимизирующего функционала ген алгоритма)

14) Отсутствие однозначной предсказуемости и «устойчивость в среднем».

Плюс ко всему можно сказать что:

Поиск аналогов и комбинирование теорий являются, по сути, операцией «кроссинговера» в генетическом алгоритме.

Элементы генетического алгоритма можно найти в любой исследовательской деятельности.

Относительно гносеологического принципа Колмогорова: «утверждение, что в мышлении и творчестве человека проявляется только тенденция к поискам более простых (оптимальных) решений» что само по себе намекает на генетический алгоритм.

Эйнштейн в свое время сказал, что "обучение - это экспериментирование, все остальное - просто информация" - в ту же копилку.

Зависимость скорости развития интеллектуальных способностей ребёнка от богатства внешних стимулов и впечатлений, а также от возможности действовать самостоятельно методом проб и ошибок, является косвенным подтверждением МГА-теории. На этом, например, основана известная (хотя и спорная) методика Глена Домана, а также множество других методик.

Вопросы, возникающие при попытке сопоставления МГА теории, фактам, известным о работе сознания:

1) Для соответствия скорости обучения естественного интеллекта и МГА, ячейка МГА должна обладать потрясающей эффективностью, гораздо выше чем у любого стандартного ген алгоритма (возможно дело в зеркальных нейронах и обучении по шаблону).

2) Работа всех уровней на основе скудной опытной базы? Допустим для достижения фронта Паретто нужно N итераций ген алгоритма, тогда при среднем размере популяции l особей необходимо N*l опытов для достижения оптимума.  Число опытов с каждым новым уровнем должно бы увеличиваться в N*l раз.

Понятие мысленного эксперимента может существенно прояснить этот вопрос.

3) Устойчивость работы системы МГА требует дополнительного исследования. 

4) Как устроена ячейка МГА и принцип её работы на нейрофизиологическом уровне? 

В статье (Edelman G.M. Neural Darvinism: seleсtion and reentrant signalling in higher brain function // Neuron. 1993.V. 10. ‹ 2. P. 115–125) есть утверждение по сути соответствующее принципу «отбора сильнейших особей» генетического алгоритма. К тому же ячейка МГА может состоять из одного нейрона.

5) Изучение механизмов «прорастания» вверх и вниз.

6) Процессы отмирания (отключения) синаптических связей. 

ПРИМЕЧАНИЯ:

Для ячейки МГА речь идёт не о совсем стандартном генетическом алгоритме, ибо таковой разработан для цифровых систем с линейной архитектурой. Однако, суть  работы такой ячейки соответствует сути работы генетического алгоритма. 

Генетический алгоритм, оптимизируемый другим генетическим алгоритмом, может выродится в простейший механизм с обратной связью (примеры.doc), коих тьма присутствует в мозге.

Прорастание вниз и прорастание вверх, особенности. 

Анализ сопровождается «прорастанием» нейронной сети вниз, а синтез - «прорастанием» вверх.