научная статья по теме МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЗГА. ДОКЛАД КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК И.Б. ГУРЕВИЧА И АКАДЕМИКА Ю.И. ЖУРАВЛЕВА Общие и комплексные проблемы естественных и точных наук

Текст научной статьи на тему «МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МОЗГА. ДОКЛАД КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК И.Б. ГУРЕВИЧА И АКАДЕМИКА Ю.И. ЖУРАВЛЕВА»

МАТЕМАТИЧЕСКИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ АСПЕКТЫ

ИССЛЕДОВАНИЯ МОЗГА

ДОКЛАД КАНДИДАТА ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИХ НАУК И.Б. ГУРЕВИЧА

И АКАДЕМИКА Ю.И. ЖУРАВЛЁВА

Возможности использования методов и средств математики и информатики в исследованиях мозга и интерпретации их результатов столь же многообразны и широки, как собственно проблематика этих исследований. Общепринято, что роль математических и информационных методов в естественных науках заключается в формальной постановке задач исследований, автоматизации обработки, анализа и интерпретации полученных результатов, построении математических и имитационных моделей исследуемых объектов и информационных, биологических, физиологических, физических, химических и других материальных и энергетических процессов, проведении машинных экспериментов с этими моделями, принятии интеллектуальных решений на основе анализа результатов исследований и моделирования, структуризации и формальном описании новых знаний. Эти математические процедуры имеют явно выраженный двойственный характер, поскольку полученные результаты немедленно становятся отправной точкой для постановки и решения новых исследовательских задач.

Соответственно, цели и средства математических и информационных исследований мозга можно сформулировать следующим образом:

1) цели:

♦ выявление принципов и механизмов, определяющих развитие, организацию, обработку информации и умственные способности нервной системы;

♦ автоматизация извлечения информации и знаний из экспериментальных данных;

♦ моделирование на уровне отдельных нейронов и сетей нейронов;

2) средства:

♦ разработка методов и программного обеспечения для анализа и моделирования;

♦ создание моделей нервной системы и процессов, в ней реализующихся;

♦ разработка методов, инструментальных средств, баз данных (БД) и баз знаний (БЗ) ней-ронаук на всех уровнях анализа механизмов деятельности мозга и его функций.

Основными этапами этих НИР являются экспериментальное исследование, выделение и анализ регулярностей/закономерностей, формали-

зация, алгоритмизация, моделирование и машинный эксперимент.

Математические и информационные подходы в настоящее время широко используются в ней-ронауках, в частности, в таких её существенных разделах, как молекулярная и клеточная нейро-науки, поведенческая нейронаука, системная нейронаука, нейронаука развития, когнитивная нейронаука, теоретическая и вычислительная нейронауки, неврология и психиатрия, нейронная инженерия, нейролингвистика, нейровизуа-лизация. При этом собственно исследования мозга имеют в основном теоретический, алгоритмический и структурный характер и проводятся, главным образом, на следующих структурных уровнях (это относится в первую очередь к работам по моделированию мозга):

♦ мозг в целом;

♦ специфические системы мозга (например, зрительная система);

♦ сверхбольшие нейронные сети;

♦ малые нейронные сети;

♦ нейроны;

♦ ионные каналы и синапсы;

♦ молекулярные процессы.

Исследование мозга и проблема мышления

привлекли внимание многих крупных учёных и естествоиспытателей. Ниже приведен перечень учёных, внесших наиболее существенный вклад в эту область, и указаны их результаты и/или науки и научные направления, которые были ими созданы или в рамках которых были получены основополагающие результаты:

♦ "Calculus Ratiocinator" (Г.В. Лейбниц, 1690-е годы);

♦ математическая логика (Дж. Буль, 1854);

♦ теория формальных систем и теория алгоритмов (А.А. Марков, Э.Л. Пост, А.М. Тьюринг,

A. Черч, 1930-1940-е годы);

♦ теория функциональных систем (П.К. Анохин, 1935);

♦ биокибернетика (нейронные сети) (У. Мак-калок, У. Питтс, 1940-е годы);

♦ аналогия "мозг-ЭВМ", клеточный автомат, самоорганизующиеся системы (Дж. фон Ней-манн, 1940-1950-е годы);

♦ теория информации (А.Н. Колмогоров,

B.А. Котельников, К. Шеннон, 1940-1950-е годы);

♦ теория игр (Д. фон Нейманн, О. Морген-штерн, 1944);

♦ кибернетика (Н. Винер, 1948);

♦ клеточный ансамбль (Дж. Хэбб, 1949);

♦ персептрон (Ф. Розенблатт, 1954, М. Минский, Ф. Пэйперт, 1961);

♦ математическая кибернетика, биокибернетика (А.А. Ляпунов, 1950-1960-е годы);

♦ управляющие системы (В.М. Глушков,

A.А. Ляпунов, А.И. Китов, С.В. Яблонский, 1950-1960-е годы);

♦ теория больших систем (А.И. Берг, 19501960-е годы);

♦ медицинская кибернетика (Н.М. Амосов,

B.М. Ахутин, В.В. Парин);

♦ математическая теория распознавания образов (У. Гренандер, Ю.И. Журавлёв, 1970-е — наст. вр.).

Возможности и результаты математических и информационных исследований мозга кратко иллюстрируются ниже в соответствии с их основными направлениями: 1) автоматизация извлечения информации и знаний из экспериментальных данных; 2) изучение информационных объектов деятельности мозга; 3) моделирование.

АВТОМАТИЗАЦИЯ ИЗВЛЕЧЕНИЯ ИНФОРМАЦИИ И ЗНАНИЙ

ИЗ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Теоретической и методической основой автоматизации обработки, анализа и оценивания экспериментальных данных, получаемых при исследовании мозга, являются математическая теория распознавания образов и математическая теория анализа изображений.

Основное назначение методов распознавания образов - отнесение предъявленного объекта к одному из заданных классов на основе анализа прецедентов (вычисление значений метрики близости) в многомерном признаковом пространстве при помощи постановки и решения задач следующих типов: а) идентификация и классификация объектов; б) разбивка множества заданных объектов на непересекающиеся классы (кластерный анализ); в) оценка информативности характеристик (признаков) распознаваемых объектов; г) описание распознаваемых объектов (в том числе, с помощью векторов признаков).

Распознавание образов как наука возникло и сформировалось в результате необходимости решать задачи анализа и оценивания плохо структурированной, неформализованной, нечёткой, неполной, противоречивой, семантически насыщенной и зашумленной информации с помощью вычислительно эффективных математических методов. Исходной информацией в этих задачах служат числовая, символьная и экспертная информация, изображения, речь, сигналы, тексты, документы, схемы и чертежи, а также произвольные комбинации указанных разновидностей исходных данных.

Методы и средства распознавания образов предназначены для решения прикладных интеллектуальных задач принятия решений, диагностики, идентификации и прогнозирования. Ти-

пичными примерами являются задачи принятия решений и прогнозирование, возникающие, в частности, в автоматизации научных исследований (обнаружение событий, восстановление и вывод зависимостей, поиск, восстановление и вывод эмпирических закономерностей). Отличительной и принципиальной особенностью этих задач является невозможность использования классических математических (аналитических) моделей для формализации и представления исходных данных. В основе решений лежат не чисто расчётные модели, а модели, основанные на процедурах анализа и оценивания информации, — главным образом, прецедентов, косвенных характеристик, доступных для измерения, логических и физических ограничений, контекстных и неявных знаний.

Проиллюстрируем возможности автоматизации анализа экспериментальных данных на примере их представления в виде изображений. Основу современной математической теории распознавания образов составляет "Алгебраический подход к решению задач распознавания и классификации" [1]. Для случая представления исходной информации в виде изображений осуществлена его специализация — предложен и развивается дескриптивный подход к анализу и пониманию изображений (ДПАИ) [2].

Разработка и исследование математического аппарата, обеспечивающего теоретическую основу автоматизации обработки, анализа, оценивания и понимания изображений, является одной из фундаментальных задач информатики. Автоматизация обработки и анализа изображений обеспечивает разработчикам автоматизированных систем, предназначенных для работы с изображениями, и конечным пользователям возможность в автоматическом или интерактивном режимах: разрабатывать, адаптировать и проверять методы и алгоритмы распознавания, понимания и оценивания изображений; выбирать оптимальные или адекватные методы и алгоритмы распознавания, понимания и оценивания изображений; проверять качество исходных данных и их пригодность для решения задачи распознавания изображений; использовать стандартные алгоритмические схемы распознавания, понимания, оценивания и поиска изображений.

ДПАИ задаёт единую концептуальную структуру для развития и реализации этих моделей и математического языка [3]. Основной целью этого подхода является структурирование разнообразных методов, операций и представлений, используемых в анализе и распознавании изображений, причём формальные конструкции ДПАИ обеспечивают способы и инструменты представления и описания изображений для их последующего анализа и оценивания. В рамках развития ДПАИ решаются следующие задачи: определение

способов представления исходной и промежуточной информации в задачах обработки, анализа и распознавания изображений; разработка математического аппарата для единообразного описания моделей изображений и преобразований, обеспечивающих их построение и решение задач распознавания; построение стандартизированных алгоритмических схем и их реализация в виде элементов информационных технологий анализа изображений.

В рамках ДПАИ разработаны классификации задач, возникающих при работе с изображениями, а также классификации существующих методов решения этих задач [4].

Выделены три функциональные группы задач:

♦ цифровая обработка изображений — повышение качества изображений для улучшения его визуального восприятия человеком, обработка изображений для их хранения, представления и передачи, преобразование изображений таким образом, чтобы повысить эффективность их дальнейшего анализа и распознавания;

♦ анализ изображений — применение к ним системы преобразований, обеспечивающей извлечение из изображения полезной информации о свойствах изображаемого объекта/процесса; результатом анализа изображений является приведение изображения к виду, удобному для распознавания, то есть построение форм

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком