意識の理論のレビュー：機能システムの理論 アノヒナ
人工知能の分野での多くの研究は、現時点で意識と脳活動の強力な理論の欠如の問題に直面しています。 実際、脳がどのように学習して適応的な結果を達成するかについての知識はかなり不足しています。 ただし、現時点では、人工知能と神経生物学の分野の相互影響が顕著に増加しています。 脳活動の数学的モデリングの結果によれば、神経生物学および精神生理学の分野での実験に新しい目標が設定されており、生物学者の実験データは、AIの発達のベクトルに大きく影響します。
上記に基づいて、将来のバイオニックAIの開発を成功させるには、数学者と神経生物学者の間の緊密な協力が必要であり、最終的には両方の分野で有益であることが明らかになります。 このためには、特に、理論的神経生物学の現代の成功を研究する必要があります。
現在、理論的神経生物学の分野には、意識の構造に関する3つの最も精巧で部分的に実験的に検証された理論があります：機能システムの理論 アノヒン、ジェラルド・エーデルマンによるニューロン群の選択理論（神経ダービン主義）、ジャン・ピエール・ザンジェによるグローバル情報空間の理論（元々はバーナード・バーズによって策定された）。 他の理論は、指定されたものの修正であるか、実験データによって確認されていません。 この記事では、これらの理論の最初のP.K.に焦点を当てます。 アノヒン
まず、心理学、心理生理学、神経科学で使用されるさまざまな理論とアプローチについて、条件付きで2つのグループに分けることができると言わなければなりません。 最初のグループでは、反応性は、行動と活動の脳組織のパターンを研究するアプローチを決定する主要な方法論的原理と見なされ、2番目のグループでは、活動[1]（図1）。
図 1.神経生理学の2つのパラダイム-反応性と活動
反応性パラダイムに従って、刺激の後に応答が続きます-個人の行動、ニューロンの衝動性。 後者の場合、シナプス前ニューロンのインパルスは刺激と見なされます。
アクティビティパラダイムに従って、アクションは結果の達成とその評価で終了します。 スキームには、将来の結果のモデルが含まれます。たとえば、人の場合、ターゲットオブジェクトとの接触[2]。
反応性アプローチによれば、インセンティブがない場合、エージェントはアクティブであってはなりません。 それどころか、アクティビティパラダイムを使用する場合、エージェントが外部環境から刺激を受けなかった場合を認めることができますが、エージェントの期待に応じて行動するべきでした。 この場合、エージェントは、外部環境からの刺激に対するエージェントの最も単純な無条件の応答の場合ではありえない不一致を排除するように行動し、学習します。
機能システムの理論では、行動の決定要因は、イベント刺激行動に関する過去ではなく、未来-結果[3]と見なされます。 機能的システムは、不均一な生理学的形成の動的に発達する広く分散したシステムであり、それらはすべて特定の有用な結果に貢献します[4]。 外部環境からの刺激に対する反応ではなく、本格的な目標設定について話すことができるのは、結果と脳によって作成された未来のモデルの主要な重要性です。
図 2.機能システムの一般的なアーキテクチャ[4]
（OA-状況的求心性運動、PA-求心性運動の開始）
機能システムのアーキテクチャを図に示します。 2.この図は、1つの機能システムの実装中の一連のアクションを示しています。 最初に、求心性合成が起こり、外部環境からの信号、被験者の記憶および動機が蓄積されます。 求心性統合に基づいて、アクションプログラムとアクションの結果のアクセプターが形成されることに基づいて決定が行われます-実行されたアクションの有効性の予測。 その後、アクションが直接実行され、結果の物理パラメーターが削除されます。 このアーキテクチャの最も重要な部分の1つは、逆求心性-フィードバックです。これにより、1つまたは多くのアクションの成功を判断できます。 得られた結果の物理的パラメーターと予測結果を比較することにより、対象行動の有効性を評価することができるため、被験者は直接学習することができます。 さらに、アクションの選択は多くの要因に影響され、その全体が求心性合成のプロセスで処理されることに注意する必要があります。
そのような機能システムは、生涯を通じて 進化と学習の間に開発されます。 要約すると、進化の全体的な目的は、最適な適応効果をもたらす機能システムの開発です。 進化によって開発された機能システムは、環境と直接接触しない出生前にも開発され、主要なレパートリーを提供します。 これらの現象の進化的性質を示すのはこの事実です。 そのようなプロセスは、 一次システム形成と総称されます [5]。
Shvyrkov VBによって開発されたシステム進化理論 機能システムの理論に基づいて、「トリガー刺激」の概念を拒否し、行動行為を孤立せず、行動の連続体の構成要素として考えました。つまり、個人が生涯を通じて犯した一連の行動行為です（図3）[6]。 連続体の次の行為は、前の行為の結果に到達して評価した後に実施されます。 このような評価は、次の行為を組織化するプロセスの必要な部分であり、したがって、ある行為から別の行為への変換または移行のプロセスと見なすことができます[7]。
図 3.行動と時間の連続体
前述のことから、個人、さらには別のニューロンでさえ、アクションの結果のイメージを作成する能力と、その行動の有効性を評価する能力を持たなければならないということになります。 これらの条件下では、動作を安全にターゲットと呼ぶことができます。
しかし、システム発生のプロセスは、発達中（一次システム発生）だけでなく、被験者の生活中にも脳内で発生します。 システム形成とは、学習プロセスにおける新しいシステムの形成です。 学習のシステム育種概念の枠組みでは、新しいシステムの形成は、学習プロセスにおける個々の経験の新しい要素の形成と見なされます。 学習中の新しい機能システムの形成は、「予備」（おそらく低活性または「サイレント」セル）からのニューロンの選択に基づいています。 これらのニューロンは、特殊な細胞として指定できます[8]。
ニューロンの選択は、個々のプロパティ、つまり 代謝の「必要性」の特性から。 選択されたセルは、新たに形成されたシステムに関して特化されます-システム特化。 新しく形成されたシステムに関するニューロンのこの特殊化は一定です。 したがって、新しいシステムは、以前に形成された「追加」であり、それらを「階層化」します。 このプロセスは二次的なシステム形成と呼ばれます [9]。
システム進化理論の以下の規定：
•多数の「サイレント」細胞の異なる種の動物の脳内の存在について。
•トレーニング中のアクティブセルの数の増加。
•ニューロンの新たに形成された特殊化は一定のままであること
•学習には、古いニューロンの再トレーニングではなく、新しいニューロンの関与が含まれること
多くの研究室の研究で得られたデータと一致している[10]。
それとは別に、現代の精神生理学と体系的進化理論の概念によれば、個々の機能システムの量と構成は、ゲノムに反映される進化的適応プロセスと個々の生涯学習の両方によって決定されることに注意したい。
機能システムの理論はシミュレーションによって首尾よく調査され、さまざまな適応行動制御モデルがその基礎に基づいて構築されている[11,12]。
当時の機能システムの理論は、結果の予測と実際のパラメーターを比較することで目的のある行動の概念を導入した最初のものでした。 現在、この理論の規定の多くは、新しい実験データを考慮して、大幅な修正と適応を必要としています。 しかし、これまでのところ、この理論は最も開発されており、生物学的に適切です。
私の観点からは、神経生物学者との緊密な協力なくして、強力な理論に基づいた新しいモデルを構築しない限り、AIの分野のさらなる発展は不可能です。
[1] 。 アレクサンドロフ・ユイ 「システムの心理生理学の紹介。」 // XXI世紀の心理学。 M。：Per Se、pp。39-85（2003）。
[2] 。 アレクサンドロフYu.I.、アノヒンK.V. et al。Neuron。 信号処理。 延性。 モデリング：基本的なガイダンス。 チュメニ：チュメニ州立大学の出版社（2008）。
[3] 。 アノヒンP.K. 機能システムの生理学に関するエッセイ。 M。：医学（1975）。
[4] 。 アノヒンP.K. 「機能システムの理論の開発におけるアイデアと事実。」 //心理ジャーナル。 V.5、pp。107-118（1984）。
[5] 。 アノヒンP.K. 「進化プロセスの一般的なパターンとしてのシステム形成。」 //実験生物学および医学の会報。 No. 8、t。26（1948）。
[6] 。 シュビルコフV.B. 客観的心理学の紹介。 精神の神経基盤。 M。：心理学研究所RAS（1995）。
[7] 。 アレクサンドロフ・ユイ 精神生理学：大学向けの教科書。 第2版 サンクトペテルブルク：ピーター（2003）。
[8] 。 アレクサンドロフ・ユイ 「学習と記憶：体系的な観点。」 // 2回目のサイモン測定値。 M。：公開。 RAS、pp。3-51（2004）。
[9] 。 システム形成の理論。 下。 編 K.V.スダコバ。 M。：Horizon（1997）。
[10] 。 Jog MS、クボタK、コノリーCI、Hillegaart V.、Graybiel AM「習慣の神経表現の構築」。 //科学。 巻 286、pp。 1745-1749（1999）。
[11] 。 Red'ko VG、Anokhin KV、Burtsev MS、Manolov AI、Mosalov OP、Nepomnyashchikh VA、Prokhorov DV "Project" Animat Brain "：機能システム理論に基づいたAnimat制御システムの設計//適応学習における予測行動システム LNAI 4520、pp。 94-107（2007）。
[12] 。 Red'ko VG、Prokhorov DV、Burtsev MS「機能システム、適応批評家およびニューラルネットワークの理論」// IJCNN 2004の議事録。 1787-1792（2004）。
上記に基づいて、将来のバイオニックAIの開発を成功させるには、数学者と神経生物学者の間の緊密な協力が必要であり、最終的には両方の分野で有益であることが明らかになります。 このためには、特に、理論的神経生物学の現代の成功を研究する必要があります。
現在、理論的神経生物学の分野には、意識の構造に関する3つの最も精巧で部分的に実験的に検証された理論があります：機能システムの理論 アノヒン、ジェラルド・エーデルマンによるニューロン群の選択理論（神経ダービン主義）、ジャン・ピエール・ザンジェによるグローバル情報空間の理論（元々はバーナード・バーズによって策定された）。 他の理論は、指定されたものの修正であるか、実験データによって確認されていません。 この記事では、これらの理論の最初のP.K.に焦点を当てます。 アノヒン
反応性と活動のパラダイム
まず、心理学、心理生理学、神経科学で使用されるさまざまな理論とアプローチについて、条件付きで2つのグループに分けることができると言わなければなりません。 最初のグループでは、反応性は、行動と活動の脳組織のパターンを研究するアプローチを決定する主要な方法論的原理と見なされ、2番目のグループでは、活動[1]（図1）。
図 1.神経生理学の2つのパラダイム-反応性と活動
反応性パラダイムに従って、刺激の後に応答が続きます-個人の行動、ニューロンの衝動性。 後者の場合、シナプス前ニューロンのインパルスは刺激と見なされます。
アクティビティパラダイムに従って、アクションは結果の達成とその評価で終了します。 スキームには、将来の結果のモデルが含まれます。たとえば、人の場合、ターゲットオブジェクトとの接触[2]。
反応性アプローチによれば、インセンティブがない場合、エージェントはアクティブであってはなりません。 それどころか、アクティビティパラダイムを使用する場合、エージェントが外部環境から刺激を受けなかった場合を認めることができますが、エージェントの期待に応じて行動するべきでした。 この場合、エージェントは、外部環境からの刺激に対するエージェントの最も単純な無条件の応答の場合ではありえない不一致を排除するように行動し、学習します。
機能システムの理論
機能システムの理論では、行動の決定要因は、イベント刺激行動に関する過去ではなく、未来-結果[3]と見なされます。 機能的システムは、不均一な生理学的形成の動的に発達する広く分散したシステムであり、それらはすべて特定の有用な結果に貢献します[4]。 外部環境からの刺激に対する反応ではなく、本格的な目標設定について話すことができるのは、結果と脳によって作成された未来のモデルの主要な重要性です。
図 2.機能システムの一般的なアーキテクチャ[4]
（OA-状況的求心性運動、PA-求心性運動の開始）
機能システムのアーキテクチャを図に示します。 2.この図は、1つの機能システムの実装中の一連のアクションを示しています。 最初に、求心性合成が起こり、外部環境からの信号、被験者の記憶および動機が蓄積されます。 求心性統合に基づいて、アクションプログラムとアクションの結果のアクセプターが形成されることに基づいて決定が行われます-実行されたアクションの有効性の予測。 その後、アクションが直接実行され、結果の物理パラメーターが削除されます。 このアーキテクチャの最も重要な部分の1つは、逆求心性-フィードバックです。これにより、1つまたは多くのアクションの成功を判断できます。 得られた結果の物理的パラメーターと予測結果を比較することにより、対象行動の有効性を評価することができるため、被験者は直接学習することができます。 さらに、アクションの選択は多くの要因に影響され、その全体が求心性合成のプロセスで処理されることに注意する必要があります。
そのような機能システムは、生涯を通じて 進化と学習の間に開発されます。 要約すると、進化の全体的な目的は、最適な適応効果をもたらす機能システムの開発です。 進化によって開発された機能システムは、環境と直接接触しない出生前にも開発され、主要なレパートリーを提供します。 これらの現象の進化的性質を示すのはこの事実です。 そのようなプロセスは、 一次システム形成と総称されます [5]。
Shvyrkov VBによって開発されたシステム進化理論 機能システムの理論に基づいて、「トリガー刺激」の概念を拒否し、行動行為を孤立せず、行動の連続体の構成要素として考えました。つまり、個人が生涯を通じて犯した一連の行動行為です（図3）[6]。 連続体の次の行為は、前の行為の結果に到達して評価した後に実施されます。 このような評価は、次の行為を組織化するプロセスの必要な部分であり、したがって、ある行為から別の行為への変換または移行のプロセスと見なすことができます[7]。
図 3.行動と時間の連続体
前述のことから、個人、さらには別のニューロンでさえ、アクションの結果のイメージを作成する能力と、その行動の有効性を評価する能力を持たなければならないということになります。 これらの条件下では、動作を安全にターゲットと呼ぶことができます。
しかし、システム発生のプロセスは、発達中（一次システム発生）だけでなく、被験者の生活中にも脳内で発生します。 システム形成とは、学習プロセスにおける新しいシステムの形成です。 学習のシステム育種概念の枠組みでは、新しいシステムの形成は、学習プロセスにおける個々の経験の新しい要素の形成と見なされます。 学習中の新しい機能システムの形成は、「予備」（おそらく低活性または「サイレント」セル）からのニューロンの選択に基づいています。 これらのニューロンは、特殊な細胞として指定できます[8]。
ニューロンの選択は、個々のプロパティ、つまり 代謝の「必要性」の特性から。 選択されたセルは、新たに形成されたシステムに関して特化されます-システム特化。 新しく形成されたシステムに関するニューロンのこの特殊化は一定です。 したがって、新しいシステムは、以前に形成された「追加」であり、それらを「階層化」します。 このプロセスは二次的なシステム形成と呼ばれます [9]。
システム進化理論の以下の規定：
•多数の「サイレント」細胞の異なる種の動物の脳内の存在について。
•トレーニング中のアクティブセルの数の増加。
•ニューロンの新たに形成された特殊化は一定のままであること
•学習には、古いニューロンの再トレーニングではなく、新しいニューロンの関与が含まれること
多くの研究室の研究で得られたデータと一致している[10]。
それとは別に、現代の精神生理学と体系的進化理論の概念によれば、個々の機能システムの量と構成は、ゲノムに反映される進化的適応プロセスと個々の生涯学習の両方によって決定されることに注意したい。
機能システムの理論はシミュレーションによって首尾よく調査され、さまざまな適応行動制御モデルがその基礎に基づいて構築されている[11,12]。
結論の代わりに
当時の機能システムの理論は、結果の予測と実際のパラメーターを比較することで目的のある行動の概念を導入した最初のものでした。 現在、この理論の規定の多くは、新しい実験データを考慮して、大幅な修正と適応を必要としています。 しかし、これまでのところ、この理論は最も開発されており、生物学的に適切です。
私の観点からは、神経生物学者との緊密な協力なくして、強力な理論に基づいた新しいモデルを構築しない限り、AIの分野のさらなる発展は不可能です。
参照資料
[1] 。 アレクサンドロフ・ユイ 「システムの心理生理学の紹介。」 // XXI世紀の心理学。 M。：Per Se、pp。39-85（2003）。
[2] 。 アレクサンドロフYu.I.、アノヒンK.V. et al。Neuron。 信号処理。 延性。 モデリング：基本的なガイダンス。 チュメニ：チュメニ州立大学の出版社（2008）。
[3] 。 アノヒンP.K. 機能システムの生理学に関するエッセイ。 M。：医学（1975）。
[4] 。 アノヒンP.K. 「機能システムの理論の開発におけるアイデアと事実。」 //心理ジャーナル。 V.5、pp。107-118（1984）。
[5] 。 アノヒンP.K. 「進化プロセスの一般的なパターンとしてのシステム形成。」 //実験生物学および医学の会報。 No. 8、t。26（1948）。
[6] 。 シュビルコフV.B. 客観的心理学の紹介。 精神の神経基盤。 M。：心理学研究所RAS（1995）。
[7] 。 アレクサンドロフ・ユイ 精神生理学：大学向けの教科書。 第2版 サンクトペテルブルク：ピーター（2003）。
[8] 。 アレクサンドロフ・ユイ 「学習と記憶：体系的な観点。」 // 2回目のサイモン測定値。 M。：公開。 RAS、pp。3-51（2004）。
[9] 。 システム形成の理論。 下。 編 K.V.スダコバ。 M。：Horizon（1997）。
[10] 。 Jog MS、クボタK、コノリーCI、Hillegaart V.、Graybiel AM「習慣の神経表現の構築」。 //科学。 巻 286、pp。 1745-1749（1999）。
[11] 。 Red'ko VG、Anokhin KV、Burtsev MS、Manolov AI、Mosalov OP、Nepomnyashchikh VA、Prokhorov DV "Project" Animat Brain "：機能システム理論に基づいたAnimat制御システムの設計//適応学習における予測行動システム LNAI 4520、pp。 94-107（2007）。
[12] 。 Red'ko VG、Prokhorov DV、Burtsev MS「機能システム、適応批評家およびニューラルネットワークの理論」// IJCNN 2004の議事録。 1787-1792（2004）。
All Articles